Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA/JPL.

Eigentlich war für den 11. September 2014 eine der regulären Kommunikationssitzungen über NASAs Deep Space Network (DSN) geplant, als Dawn in den Safe Mode wechselte. Besondere Aufgaben erledigte das Raumfahrzeug nach Angaben des Jet Propulsion Laboratory (JPL) aus Pasadena im US-amerikanischen Bundesstaat Kalifornien nicht, als die Störung auftrat.

Nach Erhalt der Information über die Störung begannen die Spezialisten des JPL sofort mit der Wiederherstellung des normalen Betriebsregimes der Sonde. Man fand die Ursache der Probleme, behob die Probleme und konnte das drei maximal 92 Millinewton starke Triebwerke vom Typ NSTAR besitzende Ionentriebwerkssystem am 15. September 2014 wieder in Betrieb nehmen.

Die drei elektrischen Triebwerke (Ion Propulsion Thrusters, IPS) der Sonde sind jeweils so angebracht, dass sie um zwei Achsen geschwenkt werden können, um zum Beispiel Schwerpunktänderungen der Sonde durch allmählichen Treibstoffverbrauch im Missionsverlauf ausgleichen zu können. Ein einzelnes der bei Dawn verwendeten Triebwerke benötigt für 24 Stunden Dauerbetrieb nur 260 Gramm Xenon-Gas. Bei Missonsbeginn befanden sich im Xenon-Tank von Dawn 425 Kilogramm des Edelgases.

Zum Betrieb brauchen die Ionentriebwerke außerdem ausreichend Strom, der von zwei großen Solarpaneelen der Sonde bereitgestellt wird. Die je zehn Meter langen Paneele sollten direkt nach dem Start der Sonde zehn Kilowatt elektrische Leistung liefern können, angekommen beim Protoplaneten Ceres sollen sie noch 1.000 bis 1.400 Watt abgegeben.

Die Bewältigung der am 11. September 2014 aufgetretenen Anomalien war für die damit befasste Arbeitsgruppe eine vertrackte, arbeitsaufwändige Puzzlelei. Als solche jedenfalls bezeichnete DAWN-Projektmanager Robert Mase vom JPL die notwendig gewordenen Arbeiten.

Nach intensiver Untersuchung der möglichen Ursachen für den jüngsten Wechsel in den Sicherheitsmodus nimmt man beim JPL an, dass das Ereignis durch den selben Effekt ausgelöst wurde wie ein Wechsel in einen Sicherheitsmodus vor rund drei Jahren während Dawns Ankunft am Protoplaneten Vesta. Seinerzeit war vermutlich eine elektrische Komponente des Ionentriebwerkssystems durch hoch-energetische Teilchenstrahlung außer Gefecht gesetzt worden.

Bei der Bearbeitung des Problems folgte man der gleichen Strategie wie vor drei Jahren, berichtete der Missionsdirektor und leitende Ingenieur für die Sonde Dawn beim JPL Marc Rayman. Man schaltete auf ein anderes Triebwerk und eine andere elektronische Steuerungseinheit um, um so eine möglichst schnelle Wiederaufnahme der Schuberzeugung zu gewährleisten. Die stillliegenden Baugruppen will man in Verlauf des verbleibenden Kalenderjahres genauer unter die Lupe nehmen.

Verkompliziert wurde die Situation dadurch, dass es neben den Problemen mit dem elektrischen Antriebssystem auch solche mit der Hochgewinn-Hauptantenne (High Gain Antenna, HGA) von Dawn gab. Quasi gleichzeitig mit der Störung im Triebwerkssystem trat auch eine bei der Ausrichtung der Hauptantenne, die Dawn gewöhnlich zur Kommunikation mit der Erde benutzt, auf.

Weil die Nutzung der Hauptantenne wegen nicht funktionierender Ausrichtung nicht möglich war, musste man sich auf die schwächeren Signale eines anderen Antennensystems (Low Gain Antennas, LGAs) verlassen, das zudem nur geringere Datenübertragungsraten zulässt. Deshalb wurde die Wiederherstellung des Regelbetriebs zusätzlich verzögert.

Dawn ist so weit von der Erde entfernt, dass eine Funkübertragung zur Sonde und der Eingang der Empfangsbestätigung durch die Sonde auf der Erde zusammen rund 53 Minuten benötigen.

Der Grund für die Störung bei der Ausrichtung von Dawns Hauptantenne wurde noch nicht genau bestimmt. Eine Auswirkung energiereicher Teilchenstrahlung auf die Computersteuerung für die Ausrichtung und die Störung der in ihr laufenden Software ist nicht unwahrscheinlich. Ein Zurücksetzen (Reset) des entsprechenden Computers führte dazu, dass die Hauptantenne ihre Fähigkeit zur erforderlichen Ausrichtung wieder erhielt.

Die aufgetretene Unterbrechung des Regelbetriebs erforderte eine erneute Veränderung des Flugplans. Dawn wird nun voraussichtlich im April 2015 in einen Orbit um den Protoplaneten Ceres einschwenken – rund einen Monat später als nach dem vorherigen Planungsstand vorgesehen. Die vorgesehenen Untersuchungen Ceres´ durch die ihn dann umkreisende Sonde erfuhren nach den jüngsten Anomalien keine Planänderungen.

Am 27. September 2007 war Dawn an der Spitze einer Delta II 7925-H Rakete vom Kennedy Space Center (KSC) im US-amerikanischen Bundesstaat Florida gestartet worden. Zwischen Juli 2011 und September 2012 umkreiste Dawn den Protoplaneten Vesta, das drittgrößte Objekt im Asteroidenhauptgürtel.

Das Ionenantriebssystem der von der Orbital Sciences Corporation (OSC) gebauten Sonde ermöglichte es ihr, anschließend auf einer spiralförmigen Bahn Ceres anzufliegen, das massereichste Objekt im Asteroidenhauptgürtel. Für das Einschwenken in eine Bahn um Ceres werden Hydrazin katalytisch zersetzende, 0,9 Newton starke chemische Triebwerke (Reaction Control System Thrusters, RCS Thrusters) zum Einsatz kommen, derer es zwölf an Bord von Dawn gibt.

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• Mission DAWN

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA/JPL.

Die derzeit tief im Asteroidengürtel operierende Sonde hat die wie DAWN ebenfalls mit Ionenantrieb ausgestattete bisherige Rekordhalterin Deep Space 1 am 5. Juni 2010 entthront, als das über den Missionsverlauf kumulierte Delta-v 4,3 Kilometer pro Sekunde (15.480 Stundenkilometer) überschritt. In Delta-v steht das v für Velocity (Geschwindigkeit) und Delta bezeichnet den Unterschied. DAWN kann ihre Geschwindigkeit innerhalb von 12 Tagen um über 290 Stundenkilometer steigern.

Die von einem Raumfahrzeug aktiv leistbare kumulierte Geschwindigkeitsänderung ist ein Maß für die Fähigkeit des Vehikels, die Flugbahn mit eigenem Antrieb zu beeinflussen und Richtungsänderungen vorzunehmen. Beim hier hergestellten Vergleich werden alle von den Raumfahrzeugen erzeugten Geschwindigkeitsänderungen ab der Abtrennung von der letzten Trägerraketenstufe betrachtet.

Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Berichts des JPL haben die drei Ionentriebwerke des Typs NSTAR an Bord von DAWN zusammen insgesamt 620 Tage gearbeitet. Dabei wurden weniger als 165 Kilogramm Xenon des zu Beginn des Flugs der Sonde 425 Kilogramm umfassenden Vorrats verbraucht. Im Verlauf der mindestens acht Jahre dauernden Mission werden die Triebwerke vermutlich auf zusammen mehr als 2.000 Betriebstage, umgerechnet rund fünfeinhalb Jahre, kommen, und eine kumulierte Geschwindigkeitsänderung von über 10,73 Kilometer pro Sekunde, das sind 38.620 Stundenkilometer, verursacht haben.

Hat DAWN ihre Aufgaben, Anflug und Untersuchung des Asteroiden Vesta und des Zwergplaneten Ceres, schließlich wie vorgesehen erfüllt, wird sie längst auch zum Raumfahrzeug mit der längsten ununterbrochenen Antriebsphase geworden sein. Dies könnte bereits um den 10. August 2010 geschehen, wenn die Motore der Sonde weiter wie geplant arbeiten.

DAWN war am 27. September 2007 auf einer Delta-II-Rakete in den Weltraum gebracht worden und wird voraussichtlich in etwas mehr als 400 Tagen ihr erstes Ziel, Vesta, erreichen.

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