BepiColombo

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BepiColombo

Links: Mercury Planetary Orbiter
Rechts: Mercury Magnetospheric Orbiter
NSSDC ID 2018-080A
Missions­ziel Merkur
Auftrag­geber Europäische WeltraumorganisationESA ESA
Japan Aerospace Exploration AgencyJAXA JAXA
Aufbau
Träger­rakete Ariane 5
Startmasse 4081 kg[1]
Verlauf der Mission
Startdatum 20. Oktober 2018, 01:45 UTC[2]
Startrampe CSG, ELA-3
Enddatum 2027/28 (geplant)
 
20.10.2018 Start
 
06.04.2020 Swing-by-Manöver an der Erde (geplant)
 
12.10.2020 Erstes Swing-by-Manöver an der Venus (geplant)
 
11.08.2021 Zweites Swing-by-Manöver an der Venus (geplant)Vorlage:Zukunft/In 2 Jahren
 
02.10.2021 Erstes Swing-by-Manöver am Merkur (geplant)Vorlage:Zukunft/In 2 Jahren
 
23.06.2022 Zweites Swing-by-Manöver am Merkur (geplant)Vorlage:Zukunft/In 3 Jahren
 
20.06.2023 Drittes Swing-by-Manöver am Merkur (geplant)Vorlage:Zukunft/In 4 Jahren
 
05.09.2024 Viertes Swing-by-Manöver am Merkur (geplant)Vorlage:Zukunft/In 5 Jahren
 
02.12.2024 Fünftes Swing-by-Manöver am Merkur (geplant)Vorlage:Zukunft/In 5 Jahren
 
09.01.2025 Sechstes Swing-by-Manöver am Merkur (geplant)Vorlage:Zukunft/In 5 Jahren
 
05.12.2025 Einschwenken in eine Umlaufbahn um den Merkur (geplant)Vorlage:Zukunft/In 5 Jahren
 
01.05.2027 Missionsende (geplant)Vorlage:Zukunft/In 5 Jahren

BepiColombo ist eine vierteilige Raumsonde, die am 20. Oktober 2018 um 01:45 UTC zum Merkur startete.[1][2] Der ursprünglich bereits für 2013 vorgesehene Starttermin musste mehrfach verschoben werden, da die Entwicklung diverser Komponenten für die starke thermische Belastung in Sonnennähe länger dauerte als geplant.

BepiColombo ist eine Kooperation zwischen der ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA. Die Sonde ist nach dem Spitznamen des 1984 verstorbenen italienischen Mathematikers Giuseppe Colombo benannt, der sich um die Merkurerkundung besonders verdient gemacht hat. Es ist die dritte Mission zum Merkur nach Mariner 10 in den Jahren 1974 und 1975 sowie dem MESSENGER-Orbiter von 2011 bis 2015.

Missionsziele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

BepiColombos vielfältige Aufgaben sollen insgesamt eine umfassende Beschreibung von Merkur und Hinweise auf seine Geschichte liefern. Kameras sollen die Oberfläche in verschiedenen Spektralbereichen kartografieren, Höheninformationen ermitteln sowie die mineralogische und chemische Zusammensetzung der Oberfläche bestimmen. Strahlungen, Partikel und Spektren verschiedener Arten und Wellenbereiche sowie das Schwerefeld sollen gemessen und es soll geklärt werden, ob Merkur einen festen oder geschmolzenen Kern hat. Die Sonde soll Form, Ausdehnung und Herkunft des Magnetfelds ermitteln.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Überblick[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Geplante Umlaufbahnen der beiden Sonden der BepiColombo-Mission

BepiColombo besteht beim Start als Mercury Composite Spacecraft (MCS) aus vier Teilen:

  • einer Transferstufe (Mercury Transport Module, MTM)
  • zwei getrennten Orbitern, die während des Fluges zum Merkur übereinander auf der Transferstufe befestigt sind:
    • dem Fernerkundungsorbiter (Mercury Planetary Orbiter, MPO; dreiachsenstabilisiert, Hydrazinantrieb) sitzt unten; er soll in eine 400 km × 1.500 km polare Umlaufbahn um Merkur einschwenken.
    • dem Magnetosphärenorbiter (Mercury Magnetospheric Orbiter, MMO; drallstabilisiert, Kaltgastriebwerke) sitzt oben, unter dem Sonnenschild; er wird nach der Ankunft am Merkur ebenfalls in eine polare Umlaufbahn gebracht, mit den Parametern 400 km × 12.000 km.
  • einem Sonnenschild (MMO-Sunshield-and-Interface-Struktur, MOSIF), der als Hitzeschild für den MMO dient sowie elektrisch und mechanisch die Verbindung zwischen MPO und MMO bildet.

Alle Teile von BepiColombo zusammen wiegen vollgetankt beim Start 4081 kg. Die Ariane 5 ECA soll BepiColombo mit einer hyperbolischen Exzessgeschwindigkeit von 3,475 km/s aussetzen.[3]

Mercury Transport Module (MTM)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mercury Transfer Module im ESA-ESTEC Test-Center in Noordwijk, Niederlande

Das im Auftrag der ESA entwickelte Transportmodul wird auf dem Flug bis zum Merkur beide Orbiter transportieren. Es verfügt über verschiedene Antriebe:

  • Für die interplanetaren Phasen gibt es vier redundante solar-elektrisch betriebene QinetiQ-T6-Ionentriebwerke, die eine Schubkraft von je 75 bis 145 mN liefern. Bis zu zwei dieser vier Triebwerke können gleichzeitig in Betrieb sein. Für den Betrieb der Ionentriebwerke verfügt das MTM über 40 m² Solarmodule mit einer Leistung von etwa 13 kW, die durch den Computer des MPO gesteuert werden.
  • Zusätzlich hat das MTM 24 chemische Triebwerke mit je 10 N Schub für Lage- und Orbitkontrolle während der Swing-by-Manöver,[4] für das Entsättigen der Reaktionsräder während der Mission und für das Einbremsen in die Umlaufbahnen.

Das Transfermodul wird nur bis zur Ankunft am Merkur benötigt, dann wird es abgetrennt.

Mercury Planetary Orbiter (MPO)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

EMV- und Antennen-Test des Mercury Planetary Orbiters im ESTEC

Der MPO ist der europäische Beitrag zu dem Unternehmen. MPO soll elf wissenschaftliche Instrumente tragen, zehn europäische und ein russisches:

BELA (BepiColombo Laser Altimeter)
Laser-Höhenmesser mit einer Ortsauflösung von 50 m. Dieses Instrument wird vom DLR in Zusammenarbeit mit der Universität Bern, dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und dem Instituto de Astrofisica de Andalucia verantwortet. Das Instrument hat einen Neodym-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Laser, der Laserimpulse mit einer Wellenlänge von 1064 nm zur Merkuroberfläche senden wird. Das reflektierte Laserlicht wird von einer Lawinen-Photodiode im Brennpunkt eines Teleskops empfangen.[5]
MERTIS (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer)
Infrarotdetektor und -spektrometer, dessen Zweck ist, eine mineralogische und eine Temperatur-Landkarte Merkurs zu erstellen. Anhand ungekühlter Mikrobolometer-Technologie und arbeitend in einer Wellenlänge von 7 bis 14 µm wird er in der Lage sein, räumliche Auflösungen von 500 m für die mineralogische und von 2000 m für die Temperatur-Landkarte zu liefern.[6]
PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere By Ultraviolet Spectroscopy)
Ultraviolett-Spektrometer, dessen Zweck ist, Merkurs Exosphäre zu analysieren und ihr dynamisches Verhalten, gekoppelt an Oberfläche und Magnetosphäre des Planeten, besser zu verstehen. Das Instrument besteht aus einem EUV-Detektor, arbeitend im 55–155-nm-Wellenlängenbereich, und einem zweiten FUV-Detektor für den 145–315-nm-Bereich mit Erweiterung für die NUV-Linien in 404 und 422 nm. Zusammen können sie eine spektrale Auflösung von 1 nm erreichen.[7]
SIMBIO-SYS (Spectrometer and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System)
Kamerasystem für Stereo-, Hochauflösungs- und Multispektralaufnahmen, dessen Zweck ist die geologische Analyse der Oberfläche, die Untersuchung von Vulkanismus und Tektonik, des Alters und der Bestandteile sowie allgemeine Geophysik. Der eingebaute Stereo Channel (STC) verfügt über vier spektrale Kanäle (panchromatisch 650 + 550, 700 und 880 nm) und hat eine Auflösung von bis zu 50 m/Pixel; der ebenfalls eingebaute High spatial Resolution Imaging Channel (HRIC) kann im gleichen Spektralbereich wiederum bis zu 5 m/Pixel erreichen; der Visible Infrared Hyperspectral Imager Channel (VIHI) wird sich auf sichtbares und nahes Infrarot (400 bis 2000 nm mit Erweiterung für 2200 nm) konzentrieren.[8]
SIXS (Solar Intensity X-ray and particles Spectrometer)
Röntgen- und Partikeldetektoren (Protonen, Elektronen) mit dem Ziel, die variable Signatur im Röntgenbereich der Planetoberfläche durch Messungen der Sonnenstrahlung besser zu verstehen. Aus den SIXS-Messungen können zuverlässige Schätzungen der Planetoberflächenbestrahlung gemacht werden, die danach mit den verwandten MIXS-Messungen korreliert werden sollen. Das Instrument kann Spektralmessungen im Röntgen-Energiebereich von 1 bis 20 keV mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu einer Sekunde durchführen, und gleichzeitig Spektra von Protonen (von 0,33 bis 30 MeV) und Elektronen (von 50 keV bis 3 MeV) mit Zählraten von bis zu 20000 cps aufnehmen.[9]
MIXS (Mercury Imaging X-ray Spectrometer)
Teleskop mit Kollimator für die Röntgenfluoreszenz der Merkuroberfläche, das bei der Bestimmung ihrer elementaren Zusammensetzung helfen soll. MIXS-Messungen werden mit Messungen des Partnerinstruments SIXS kalibriert werden, um dann die Ergebnisse auf dem Planeten zu kartographieren. Das MIXS-Teleskop (MIXS-T) hat ein sehr enges Sichtfeld (1° FoV), während der Kollimator (MIXS-C) mit 10° arbeitet.[10]
SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances)
Vierteiliger Satz an Teilchendetektoren, die die dynamischen Prozesse des gekoppelten Systems Exosphäre-Magnetosphäre-Oberfläche analysieren wird. Zum einen wird das im Discovery-Programm der NASA entwickelte Strofio-Massenspektrometer[11] (STart from a ROtating FIeld mass spectrOmeter) die Gasbestandsteile der Exosphäre mittels Flugzeitmassenspektrometrie erforschen. Weiters wird MIPA (Miniature Ion Precipitation Analyser) den Sonnenwind und die Prozesse beobachten, durch die sich Plasma auf der Oberfläche niederschlägt. PICAM (Planetary Ion CAMera) ist ein Ionen-Massenspektrometer, das sich auf die neutralen Partikel mit Energien bis 3 keV konzentrieren wird, die die Planetenoberfläche zunächst verlassen und erst anschließend ionisiert und durch die Merkurumgebung transportiert werden. ELENA (Emitted Low-Energy Neutral Atoms) wird dabei auf die aus der Oberfläche stammenden neutralen Gasmoleküle im Bereich von 20 eV bis 5 keV achten.[12]
MPO-MAG (MPO Magnetometer)
MPO-MAG ist einer von zwei digitalen Fluxgate-Magnetometern, aus dem das wissenschaftliche Instrument MERMAG (MERcury MAGnetometer) besteht. Der andere (MMO-MGF) ist am Bord-MMO und beide zusammen haben das Ziel, Ursprung, Entwicklung und Zustand des Planeteninneren durch die vollständige Charakterisierung seines magnetischen Feldes besser zu verstehen. Die Geräte werden mit einer Abtastrate von 128 Hz das schwache Merkur-Magnetfeld messen und alle Terme dieses Feldes (bis zum Oktupol-Grad) präzis erfassen.[13]
ISA (Italian Spring Accelerometer)
Beschleunigungsmesser, der in Verbindung mit MORE die allgemeine Relativitätstheorie überprüft.
MORE (Mercury Orbiter Radio-science Experiment)
Ka-Band-Transponder, siehe ISA.
MGNS (Mercury Gamma-ray and Neutron Spectrometer)
Detektor zum Nachweis von strahlungsinduzierten Sekundärneutronen und Gammastrahlung auf der Merkuroberfläche.

Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mercury Magnetospheric Orbiter im ESTEC

Der MMO wurde unter japanischer Verantwortung entwickelt. Er trägt fünf Instrumente – vier japanische und ein europäisches. Ursprünglich sollte auch ein Lander mitfliegen, der allerdings im November 2003 aus Kostengründen gestrichen wurde.

Kommunikation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

MPO verfügt über zwei unbewegliche Niedergewinnantennen für X-Band, eine bewegliche Mittelgewinnantenne für X-Band und eine bewegliche Hochgewinnantenne mit 1 m Durchmesser. Die beiden Niedergewinnantennen können aus jeder Lage senden und empfangen und dienen in der Startphase und in Erdnähe zur Kommunikation, außerdem zur Sicherung der Notfallkommunikation in großer Entfernung. Die Mittelgewinnantenne wird hauptsächlich in den langen Phasen zwischen den Planetenbegegnungen eingesetzt und wenn die Sonde in Sicherheits- oder Notfallbetrieb geht. Die Hochgewinnantenne wird in den interplanetaren Phasen eingesetzt, wenn ein höheres Datenvolumen anfällt. Sie kann im X-Band senden und empfangen und im Ka-Band senden.

Die 35-Meter-Antenne des ESTRACK-Netzwerks in Cebreros ist für Empfang im Ka-Band eingerichtet und soll laut Planung die primäre Anlage zur Kommunikation in allen Missionsphasen sein. Für den Eintritt in die Umlaufbahn und in anderen kritischen Phasen soll New Norcia unterstützen. Die beiden japanischen Radiostationen Usuda Deep Space Center in der Nähe von Usuda und Uchinoura Space Center nahe Kimotsuki sollen als Backup dienen und bei speziellen Messungen genutzt werden. Zum Startzeitpunkt hat JAXA noch keine Antennen für Ka-Band. Bis Ende des fiskalischen Jahres 2019 soll eine neue 54-Meter-Antenne mit Ka-Empfang unter den Namen GREAT in Usuda fertiggestellt sein.

Bau und Testphase[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Januar 2008 erhielt das auf die Entwicklung und den Bau von Satelliten spezialisierte Unternehmen Astrium in Friedrichshafen offiziell den Projektauftrag im Volumen von 350,9 Millionen Euro. Die Gesamtkosten inklusive Start und Betrieb bis 2020 werden auf 665 Millionen Euro geschätzt.[14]

Der japanische MMO wurde in einem speziell modifizierten Weltraumsimulator der ESA, im ESTEC getestet, mit der Bestrahlung von 10 Solarkonstanten, wie sie in der Merkurumlaufbahn herrschen. Seine Außenhaut musste dabei über 350 °C aushalten.[15] Zwischen dem 12. September 2011 und dem 6. Oktober 2011 folgten Tests des MPO im Weltraumsimulator. Die Vorbereitungen für die Tests begannen jedoch schon am 31. August 2011, als er in den Simulator gebracht wurde. Nach dem Ende der Tests konnte er ihn am 8. Oktober 2011 wieder verlassen.[16]

Start und Flug bis Merkur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Animation des BepiColombo-Fluges (Sonde: pink)

Gestartet und zum Merkur geflogen werden MPO und MMO aufeinander montiert auf dem Mercury Transfer Module.

Um Treibstoff zu sparen, sind auf der sieben Jahre langen Reise neun Swing-by-Manöver an Erde, Venus und Merkur geplant.[1] Dazwischen sind mehrere Brennphasen des Ionenantriebes vorgesehen. Während des Anflugs kontrolliert MPO den MMO und das Transfermodul, das während dieser Zeit die elektrische Versorgung übernimmt. Der MMO ist während des Flugs nahezu inaktiv und wird nur für Testzwecke aktiviert.

Vor dem endgültigen Erreichen der Merkurumlaufbahn im Dezember 2025Vorlage:Zukunft/In 5 Jahren wird das MTM abgetrennt, und die beiden aufeinandersitzenden Sonden treten mit dem chemischen Antrieb des MPO in die polare Zielumlaufbahn des MMO ein. Dort wird MOSIF vom MMO abgetrennt. Dann wird auch der MPO abgetrennt und vom chemischen Antrieb in seine eigene polare Umlaufbahn gebracht.[17]

Die Missionsdauer der beiden Orbiter nach dem Erreichen der Merkurumlaufbahnen ist auf ein Jahr veranschlagt, mit der Möglichkeit einer Verlängerung um ein weiteres Jahr.[1]

Am Ziel angekommen, werden die Sonden Temperaturen von deutlich über 300 °C ausgesetzt sein. Dabei wird ihnen nicht nur die starke direkte Sonneneinstrahlung zusetzen, sondern auch die vom bis zu 427 °C heißen Merkur abgestrahlte Infrarotstrahlung.[18]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Harald Krüger, Norbert Krupp, Markus Fränz: Aufbruch zum Merkur. In: Sterne und Weltraum. 57, Nr. 10, 2018, ISSN 0039-1263, S. 26–37.
  • Tilmann Althaus: Die Merkursonde BepiColombo. In: Sterne und Weltraum. 46, Nr. 7, 2007, ISSN 0039-1263, S. 26–36.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: BepiColombo – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d BEPICOLOMBO – Fact Sheet. In: ESA.int. 1. Dezember 2016, abgerufen am 10. Dezember 2016 (englisch).
  2. a b BepiColombo blasts off to investigate Mercury’s mysteries. In: ESA.int. Abgerufen am 20. Oktober 2018 (englisch).
  3. Arianespace VA245 Launch Press Kit. In: Arianespace.com. Abgerufen am 13. Oktober 2018 (PDF; 1,7 MB).
  4. Fabian Lüdicke: BepiColombo Mission: Raumsonde, Missionsprofil, Instrumente. In: DLR.de. Institut für Planetenforschung, abgerufen am 17. September 2017.
  5. Fabian Lüdicke: Laseraltimeter BELA. In: DLR.de. Institut für Planetenforschung, abgerufen am 17. September 2017.
  6. MERTIS. In: Cosmos.ESA.int. Abgerufen am 18. Oktober 2018 (britisches Englisch).
  7. PHEBUS. In: Cosmos.ESA.int. Abgerufen am 18. Oktober 2018 (britisches Englisch).
  8. SIMBIO-SYS. In: Cosmos.ESA.int. Abgerufen am 19. Oktober 2018 (britisches Englisch).
  9. SIXS. In: Cosmos.ESA.int. Abgerufen am 19. Oktober 2018 (britisches Englisch).
  10. MIXS. In: Cosmos.ESA.int. Abgerufen am 1. November 2018 (britisches Englisch).
  11. What is STROFIO? (Memento vom 12. Dezember 2016 im Internet Archive).
  12. SERENA. In: Cosmos.ESA.int. Abgerufen am 2. November 2018 (britisches Englisch).
  13. MPO/MAG - Cosmos. Abgerufen am 23. November 2018 (britisches Englisch).
  14. BepiColombo industrial contract signed. In: ESA.int. 18. Januar 2008, abgerufen am 14. August 2012 (englisch).
  15. ESA’s Mercury mapper feels the heat. 18. Januar 2011, abgerufen am 19. Januar 2011 (englisch).
  16. Mercury Planetary Orbiter takes a simulated trip to the innermost planet. 12. Oktober 2011, abgerufen am 14. Oktober 2011 (englisch).
  17. Mission Operations – Getting to Mercury. In: ESA.int. 12. Oktober 2018, abgerufen am 22. Oktober 2018 (englisch).
  18. ESA gives go-ahead to build BepiColombo. In: ESA.int. 26. Februar 2007, abgerufen am 22. Oktober 2018 (englisch).