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: Universität Bern.

Am Samstag, 20. Oktober 2018 hat die Raumsonde BepiColombo vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana ihre Reise zum Merkur angetreten. Die 6,40 Meter hohe und 4,1 Tonnen schwere Raumsonde BepiColombo besteht aus zwei Raumfahrzeugen: dem von der europäischen Weltraumorganisation ESA konstruierten Mercury Planetary Orbiter MPO und dem von der japanischen Weltraumagentur JAXA konstruierten Mercury Magnetospheric Orbiter MMO. Die beiden Raumfahrzeuge fliegen in einem gekoppelten System gemeinsam zum Merkur, werden dort aber auf unterschiedliche Umlaufbahnen gebracht. Der MMO wird die magnetosphärische Wechselwirkung zwischen dem Planeten und dem Sonnenwind untersuchen. Der MPO wird auf eine tiefere Umlaufbahn abgesenkt werden, die optimal für die Fernerkundung der Planetenoberfläche ist.

Unumgängliche Manöver auf einer langen Reise
Sieben Jahre wird die Reise der europäisch-japanischen Raumsonde zum Merkur, dem kleinsten Planeten unseres Sonnensystems, dauern. Hat BepiColombo die Zielumlaufbahn einmal erreicht, wird die Datenübertragung zur Erde etwa 15 Minuten in Anspruch nehmen. Die wissenschaftlichen Untersuchungen und Experimente bei Merkur sollen schließlich ein bis zwei Jahre dauern. Mit an Bord von BepiColombo sind Instrumente, die am Physikalischen Institut der Universität Bern konzipiert und gebaut wurden.

Dabei muss die Reise über Umwege erfolgen: «BepiColombo fliegt auf ihrem Weg zum Merkur zweimal an der Venus und sechsmal am Merkur vorbei, um die Raumsonde gegen die Anziehungskraft der Sonne abzubremsen, damit die Raumsonde in die Umlaufbahn von Merkur gebracht werden kann», erklärt Peter Wurz, Professor am Physikalischen Institut der Universität Bern und Co-Leiter der Abteilung für Weltraumforschung und Planetologie. Am 15. Oktober in den frühen Morgenstunden wird die Raumsonde zum ersten Mal in einer Distanz von rund 11’000 km an der Venus vorbeifliegen; der zweite Vorbeiflug ist für August 2021 geplant.

Daten zur Venus erwartet
An Bord von BepiColombo befindet sich unter anderem das SERENA Experiment, welches aus vier Instrumenten besteht. «Zu SERENA gehört auch das neuartige Massenspektrometer STROFIO, für das wir den größten Beitrag geleistet haben», sagt Peter Wurz, der auch Projektleiter von STROFIO ist. «Wir werden mit STROFIO dereinst die sehr dünne Atmosphäre von Merkur – man spricht von einer Exosphäre – erfassen und deren chemische Zusammensetzung analysieren.»

Der Vorbeiflug an der Venus wird nicht nur zum Abbremsen, sondern auch für Messungen benutzt. Neben STROFIO ist die Universität Bern auch an zwei weiteren Instrumenten von SERENA beteiligt, dem MIPA und PICAM. «Von diesen beiden Instrumenten, die während des Vorbeifluges an der Venus eingeschaltet werden, erwarten wir Daten von den ionisierten Teilchen der Venus-Atmosphäre», erklärt Wurz. Die Sonne und der Sonnenwind tragen vom äußersten Rand der Venusatmosphäre ionisierte Teilchen ab. «Die Menge des Teilchenverlustes und dessen Zusammensetzung kann man mit den beiden Instrumenten bestimmen», so Peter Wurz weiter.

Gefragte Berner Expertise seit über 50 Jahren
Die Universität Bern habe über die Jahrzehnte immer wieder gezeigt, dass hier sehr hochwertige Instrumente für die Weltraumforschung gebaut werden können, sagt Peter Wurz. «Die Universität Bern war stets eine verlässliche Partnerin in diesen zahlreichen internationalen Zusammenarbeiten. Daher werden wir immer wieder für neue Missionen zu aufregenden Zielen im Sonnensystem angefragt.»

Berner Instrumente an Bord von BepiColombo
Mit an Bord von BepiColombo sind Instrumente, die am Physikalischen Institut der Universität Bern konzipiert und gebaut wurden: Das Laser Altimeter BELA und das neuartige Massenspektrometer STROFIO.

Das Massenspektrometer STROFIO ist Teil von SERENA an Bord des MPO. Zielsetzung von SERENA ist die vollständige Charakterisierung der Teilchenpopulationen, der Ionen und Neutralteilchen, im Umfeld von Merkur unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung und des Sonnenwindes. Projektleiter von STROFIO ist Peter Wurz vom Physikalischen Institut der Universität Bern.
Mehr Informationen zu STROFIO auf der ESA-Webseite: https://www.cosmos.esa.int/web/bepicolombo/serena

Das Laser Altimeter BELA ist eines der wichtigsten Experimente an Bord des MPO. Zielsetzung ist die Vermessung der Form, der Topographie und der Morphologie der Oberfläche von Merkur. BELA wurde von einem internationalen Konsortium unter der Leitung der Universität Bern und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR entwickelt. Beim jetzigen Vorbeiflug an der Venus wird BELA aber nicht eingeschaltet. Nicolas Thomas, Direktor des Physikalischen Instituts der Universität Bern, ist der Co-Projektleiter von BELA.
Mehr Informationen zu BELA auf der ESA-Webseite: https://www.cosmos.esa.int/web/bepicolombo/bela

Peter Wurz und Nicolas Thomas waren von Anfang an in die BepiColombo-Mission involviert: Die beiden Berner Weltraumforscher waren Teil der ESA-Arbeitsgruppe (Science Advisory Group), die diese Mission konzipiert hat. «Zu den größten Herausforderungen der Mission zählt die Hitze, die uns beim Merkur aufgrund seiner Nähe zur Sonne erwartet», sagt Nicolas Thomas. Die Berner Forschenden mussten die Instrumente so konzipieren und bauen, dass diese die Hitze der Sonne aushalten können, die beim Merkur zehnmal so groß sein kann wie auf der Erde.

Förderung durch das SBFI / Abteilung Raumfahrt
Die Mission BepiColombo wäre ohne die Förderung des SBFI / Abteilung Raumfahrt und der Beteiligung der Schweiz an der ESA nicht möglich. Insbesondere hat das SBFI die Entwicklung der wissenschaftlichen Instrumente finanziell unterstützt. Bei allen Instrumenten, die in der Schweiz und unter der Leitung der Universität Bern entwickelt wurden, stammen wesentliche Beiträge und/oder Teillieferungen aus der Schweizer Industrie. Nicht weniger als 20 Unternehmen trugen zur Entwicklung, Design und Bau der wissenschaftlichen Instrumente bei. Das PRODEX-Programm, in dessen Rahmen wissenschaftliche Instrumente oder Teilsysteme bereitgestellt werden, verlangt eine industrielle Beteiligung von mindestens 50% am Gesamtprojekt. Diese Bedingung ermöglicht einen Wissens- und Technologietransfer aus der Industrie und in die Industrie und verschafft dem Werkplatz Schweiz einen strukturellen Wettbewerbsvorteil – nicht zuletzt auch dank Spill-over-Effekten auf andere Sektoren der beteiligten Unternehmen. Beteiligungen der Schweiz an Programmen der ESA erlauben es Schweizer Akteuren aus Wissenschaft und Wirtschaft, sich ideal in entsprechenden Aktivitäten der ESA zu positionieren.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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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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