Rosetta (Sonde)

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Rosetta (Sonde)

NSSDC ID 2004-006A
Missionsziel Komet 67P/Tschurjumow-Gerasimenko
Auftraggeber ESA
Aufbau
Trägerrakete Ariane 5
Startmasse etwa 3000 kg
Instrumente elf + Lander
Verlauf der Mission
Startdatum 2. März 2004 um 8:17 MEZ
 
2. März 2004 Start
 
4. März 2005 Erster Erdvorbeiflug
 
25. Februar 2007 Marsvorbeiflug
 
13. November 2007 Zweiter Erdvorbeiflug
 
5. September 2008 Vorbeiflug am Asteroiden Šteins
 
13. November 2009 Dritter Erdvorbeiflug
 
10. Juli 2010 Vorbeiflug am Asteroiden Lutetia
 
8. Juni 2011 Beginn Deep Space Hibernation
 
20. Januar 2014 Ende Deep Space Hibernation
 
August 2014 Eintritt in Orbit um den Kometen 67P (geplant)
 
11. November 2014[1] Landung auf dem Kometen (geplant)
 
 
Dezember 2015 Ende der Mission

Rosetta ist eine Raumsonde der ESA, die den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko zum Ziel hat. Nach ihrem Start am 2. März 2004 mit einer Ariane 5 G+ passierte die von EADS Astrium in Friedrichshafen gebaute Sonde nach mehreren Swing-By-Manövern an Erde und Mars die Asteroiden (2867) Šteins und (21) Lutetia und verbrachte dann 957 Tage im „Winterschlaf“ (Deep Space Hibernation).[1]

Im August 2014 soll die Sonde in eine Umlaufbahn um den Kometen einschwenken[2] und ihn kartografieren, um die Landung von Philae vorzubereiten. Dieser 100 kg schwere ballistische Lander soll im November auf dem Kometen aufsetzen und Experimente durchführen, die Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Kometen und damit auf die des frühen Sonnensystems zulassen.

Die Sonde ist nach dem Stein von Rosetta benannt, der Lander nach der Insel im Nil, auf der ein Obelisk gefunden wurde, dessen Hieroglyphen bei der Entzifferung des Steins halfen. An Bord befindet sich eine Rosetta Disk.

Die Mission kostet insgesamt etwa eine Milliarde Euro, als wichtigste der 17 beteiligten Nationen trägt Deutschland davon rund 290 Millionen Euro.[3][4]

Anfänge der Mission[Bearbeiten]

Ursprünglich war der Start von Rosetta bereits am 13. Januar 2003 geplant und als Ziel war der Komet 46P/Wirtanen vorgesehen. Wegen Schwierigkeiten mit dem Ariane-5-Raketenprogramm wurde der Start um ein Jahr verschoben.

Am 26. Februar 2004 wurde der Start vom Weltraumzentrum Kourou in Französisch-Guayana kurzfristig wegen heftiger Höhenwinde und am nächsten Tag wegen eines Defekts am Hitzeschutz erneut verschoben. Am 2. März 2004 um 8:17 Uhr MEZ hob schließlich die Trägerrakete Ariane 5 G+ mit der drei Tonnen schweren Sonde an Bord ab.

Flugverlauf[Bearbeiten]

Bahnen von Rosetta (schwarz), Erde (grün), Mars (rot), Jupiter (braun) und 67P/Tschurjumow-Gerasimenko (blau). Die Zahlen sind im Text erwähnt.

Keine existierende Trägerrakete vermag eine so schwere Nutzlast direkt auf die Bahn eines Kometen zu bringen. Dazu liegen Erde und Kometen im Gravitationspotential der Sonne zu weit auseinander. Vielmehr brachte die Ariane-Oberstufe Rosetta lediglich auf eine erdnahe Bahn um die Sonne, also im Wesentlichen aus dem Gravitationspotential der Erde heraus. Dies ist im nebenstehenden Diagramm mit „1“ markiert. Nach wenigen Tagen stand fest, dass die gewünschte Bahn genau genug getroffen wurde, sodass Rosettas Treibstoffvorrat für alle Missionsziele reichen würde, insbesondere für die Bahnkorrekturen der beiden geplanten nahen Vorbeiflüge an den Asteroiden.

Rosettas Position kann auf einer interaktiven ESA Website bestimmt werden.[5]

Swing-By-Manöver[Bearbeiten]

Ein Jahr nach dem Start, am 4. März 2005, flog Rosetta ein erstes Swing-By-Manöver, bei dem die Sonde sich der Erdoberfläche bis auf 1.900 km näherte. Die Sonde war vor dieser Begegnung „2“ leicht außerhalb der Erdbahn geflogen und von der Erde mitgeschleppt und beschleunigt worden. Danach entfernte sie sich vergleichsweise rasch nach außen und verlor so weniger Energie als sie vorher von der Erde erhalten hatte. Ihre Bahn kreuzte nun bei „3“ die des Planeten Mars, den sie dort nach einem weiteren Umlauf und Kurskorrekturen am 29. September (Δv = 32 m/s) und 13. November 2006 (0,1 m/s) zu einem sehr engen Swing-By traf. Diese Begegnung am 25. Februar 2007 mit einem Minimalabstand von nur 250 km verlangsamte Rosetta um 2,19 km/s,[6] was die darauf folgende Wechselwirkung mit der Erde umso ergiebiger machte. Diese Wechselwirkung bei „4/6“ bestand aus zwei Begegnungen jeweils am 13. November der Jahre 2007 und 2009, mit Abständen von 5.295 bzw. 2.481 km. Der Energiegewinn drückte sich in einer Zunahme der großen Halbachse der Bahn auf knapp 1,6 bzw. 3,1 AE aus. 3,5 AE ist der Wert für den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko, dem sich Rosetta seitdem nähert.

Winterschlaf[Bearbeiten]

Rosettas Energieversorgung durch Solarzellen war ein Novum für Missionen jenseits der Marsumlaufbahn. Mit der Strahlungsintensität, die quadratisch mit der Distanz von der Sonne abnimmt, sinkt auch die gewinnbare elektrische Leistung. Die sehr groß dimensionierten Solarmodule erlaubten im März 2011 gerade noch einen ersten Blick auf das eigentliche Ziel der Mission, den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko, aus über 1 AE Abstand. Die weitere Annäherung geschah aber in einem weiten Bogen, der mit maximal 790 Mio. km Sonnenabstand fast bis zur Jupiterbahn reichte. Für die 31 Monate jenseits von etwa 660 Millionen km Sonnenentfernung (von „8“ bis „9“ in obigem Diagramm), wurde daher die Sonde in einen Schlafmodus versetzt (Deep Space Hibernation), in dem die geringe verfügbare Leistung nur der „Lebenserhaltung“ diente (Bordcomputer und einige Heizelemente für die wissenschaftliche Nutzlast).[7] Am 20. Januar 2014 erwachte Rosetta planmäßig aus diesem Ruhezustand. In den folgenden Monaten wurden alle Instrumente der Sonde ausgiebig auf ihre volle Funktionsfähigkeit getestet und mit Software-Upgrades ausgestattet. Der Lander erwachte am 28. März 2014.

Annäherung an den Kometen[Bearbeiten]

Im Verlauf des Mai 2014 verringerte sich die Entfernung zum Kometen von etwa zwei auf eine halbe Million Kilometer. Durch drei Big Burns, am 21. Mai, 4. Juni und 18. Juni, wurde mit insgesamt fast 17 Stunden Brenndauer der Triebwerke die Relativgeschwindigkeit der Sonde zum Kometen um fast 650 m/s gesenkt. Der restliche Bremsbedarf von gut 100 m/s ist auf sechs weitere Bremsmanöver mit systematisch abnehmender Brenndauer verteilt, die bis zum 6. August 2014 stattfinden.[8] Dabei überholt die Sonde den Kometen und wird etwa 100 km vor ihm gestoppt.

In diesem Abstand und bei einer Differenzgeschwindigkeit von unter 1 m/s hat dessen Gravitation bereits einen messbaren Einfluss. Vor dem Übergang in einen elliptischen Orbit in knapp 30 km Abstand wird die Sonde kreuz und quer durch das gravitative Fernfeld des Kometen geführt, um seine genaue Masse und Schwerpunktlage zu erfassen. Die antriebslosen Messphasen auf hyperbolischen Bahnen sind unterbrochen von kurzen Wendemanövern.[9]

Während der Orbit schrittweise auf 10 km Höhe abgesenkt wird, erfolgt die genaue Kartografierung der Oberfläche, auch um einen Landeplatz für Philae zu wählen. Die Auflösung wird zwei bis drei Meter erreichen.[1]


Beobachtungen unterwegs[Bearbeiten]

Beobachtung von Deep Impact[Bearbeiten]

Rosetta beobachtete den Einschlag des Impaktors der Sonde Deep Impact am 4. Juli 2005 aus etwa 80 Millionen Kilometern Entfernung quer zur Beleuchtung durch die Sonne. Insbesondere war Rosettas UV-Spektrometer ALICE das geeignetste Instrument seiner Art, das für die Beobachtung dieses Ereignisses zur Verfügung stand.[10]

Vorbeiflug am Asteroiden (2867) Šteins[Bearbeiten]

Am 5. September 2008 passierte Rosetta bei „5“, also am inneren Rand des Asteroidenhauptgürtels, den 4,6 Kilometer[11] großen (2867) Šteins mit einer Relativgeschwindigkeit von 8,6 km/s. Mit einem für die ESA neuen optischen Navigationsverfahren gelang der Vorbeiflug im geplanten Abstand von 800 km. Zur Berechnung von Korrekturmanövern machten die beiden Navigationskameras (NAVCAM) und die wissenschaftliche Kamera OSIRIS wiederholt Bilder vom Asteroiden vor dem Sternenhintergrund. Während des Vorbeiflugs wurden sowohl Daten mit der optischen Kamera OSIRIS als auch mit dem Spektrometer VIRTIS gesammelt. Dazu musste die Sonde gedreht werden, sodass die Kommunikationsantenne nicht zur Erde zeigte. Nach 90 Minuten Funkstille bestätigten die ersten Telemetriedaten den Erfolg des Manövers.[12] Die daraufhin veröffentlichten Bilder zeigen einen brillantförmigen Körper mit einer großen Zahl von Impaktkratern.[13] Für Ergebnisse siehe (2867) Šteins.

Vorbeiflug am Asteroiden Lutetia[Bearbeiten]

Rosetta passierte am 10. Juli 2010 bei „7“ den rund 100 km großen Asteroiden (21) Lutetia mit 3162 km Abstand und einer Relativgeschwindigkeit von 15 km/s.[14]

Neben der Erforschung Lutetias – der Asteroid ist geprägt von riesigen Kratern, Graten und Erdrutschen sowie mehrere hundert Meter großen Felsen – diente der Vorbeiflug auch einem Test der wissenschaftlichen Instrumente von Rosetta sowie von einem der zehn Experimente des Landers Philae in großer Kälte, 407 Millionen km von der Sonne und 455 Millionen km von der Erde entfernt.

Technik und Instrumente[Bearbeiten]

Modell von Philae

Die Grundstruktur von Rosetta besteht aus einem Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung mit 2,8 m × 2,1 m × 2,0 m Größe, wobei die wissenschaftlichen Instrumente (etwa 165 kg insgesamt) auf der Oberseite und die Bus Support Module an der Basis angebracht sind. An der Seite sind eine 2,2-Meter-Parabolantenne für die Kommunikation (S-Band und X-Band mit 10 bis 22.000 Bits pro Sekunde), die jeweils fünfteiligen Solarzellenausleger mit 32 Metern Spannweite (32 Quadratmeter Fläche und 850 W Leistung in einer Entfernung von 3,4 AE und 395 W bei 5,25 AE) und der etwa 100 kg schwere Lander angebracht. Das Antriebssystem besteht aus 24 Zweistoff-Triebwerken mit je zehn Newton Schub, für die etwa 1.670 kg Treibstoff an Bord sind.

An Bord von Rosetta befinden sich elf Instrumente:[15]

  • Das Ultraviolett-Spektrometer ALICE wird nach verschiedenen Edelgasen suchen, deren Verteilung etwas über die Umgebungstemperatur während der Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren aussagt. Eine weiterentwickelte Version von Alice findet sich auch in der Sonde New Horizons. ALICE ist neben MIRO und IES (Ion and Electron Sensor) eines von drei Instrumenten, die unter Leitung der NASA entwickelt wurden.[16]
  • Das Bildgebungssystem OSIRIS (Optical, Spectroscopic and Infrared Remote Imaging System) mit zwei Kameras: Weitwinkel mit 12°×12° und Tele mit 2,2°×2,2° Sichtfeld. Jede mit Spiegeloptik, Filterrad und 4-Megapixel-Sensor. Zum Orientieren sowie Fotografieren insbesondere der Partikelwolke und der Oberfläche des Kometen hinunter bis zu 2 cm Auflösung bei größter Annäherung auf 1 km Abstand, in sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereichen. Auch zur Suche eines Landeplatzes für den Lander.[17]
  • VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) soll mittel bis gering aufgelöste Bilder vom Kometenkern schießen, aus denen sich auf die räumliche Verteilung von gefundenen Elementen schließen lässt.
  • Das Instrument MIRO (Microwave Spectrometer for the Rosetta Orbiter) soll für die Moleküle CO, CH3OH, NH3, H216O, H217O und H218O die Ausgasungsrate aus dem Kometenkern und die Verteilungsfunktionen für Fluggeschwindigkeit und angeregte Zustände messen. Nach diesen Molekülen wurde auch in der Nähe der Asteroiden Ausschau gehalten. Diese hochauflösende Molekülspektroskopie geschieht an zahlreichen im 0,5-mm-Band fest eingestellten Frequenzen. Zusätzlich gibt es dort und im 1,9-mm-Band breitbandige Kanäle zur Messung von Temperatur und Temperaturgradient an der Oberfläche der besuchten Himmelskörper.[18]
  • ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) besteht aus einem Magnet-DFMS und einem Flugzeit-Massenspektrometer RTOF, die Ionen und Neutralgasteilchen nachweisen können. Dadurch lassen sich zum Beispiel die Zusammensetzung der kaum vorhandenen Kometenatmosphäre und Wechselwirkungen der Teilchen bestimmen.
  • Für die Untersuchung des Kometenstaubs wird COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Spectrometer) ebenfalls mit einem Massenspektrometer die Häufigkeiten von Elementen, Isotopen und Molekülen bestimmen.
  • Das hochauflösende Rastersondenmikroskop MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System) kann die Feinstruktur einzelner Staubteilchen abbilden.
  • Das RPC (Rosetta Plasma Consortium) beinhaltet Ionen- und Elektronendetektoren sowie ein Magnetometer. Sie messen physikalische Eigenschaften des Kerns und der Koma, sowie die Wechselwirkungen zwischen Koma und Sonnenwind.
  • Das CONSERT-Experiment (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radio wave Transmission) erkundet die Struktur der Kometenkerns.
  • GIADA (Grain Impact Analyser) untersucht die Koma und bestimmt die Anzahl, Größe und Geschwindigkeit der darin befindlichen Staubkörner.
  • Durch Nutzung des Kommunikationssystems bestimmt RSI (Radio Science Investigation) das Gravitationsfeld des Kometenkerns und daraus seine Masse und Massenverteilung.

Weitere zehn Instrumente befinden sich an Bord des Landers, deren Daten über Rosetta als Relaisstation zur Erde gelangen. Die wissenschaftlichen Daten werden auf einem Solid-State-Speicher mit 25 GBit (Mindestkapazität am Ende der Mission) gespeichert.

Herausforderungen und Besonderheiten der Mission[Bearbeiten]

Durch die Rosettamission wird in einigen Bereichen der Weltraumforschung Neuland betreten. Das Missionsprofil weist mehrere Besonderheiten auf.

Störeinflüsse im Orbit um den Kometen[Bearbeiten]

Zur Erforschung des Kometen soll in einen Orbit um ihn eingeschwenkt werden. Unter anderem soll das Gravitationspotential des Kometen vermessen werden, das in der Nähe deutlich von einem Zentralpotential abweicht und beobachtbare Bahnstörungen verursacht. Dabei sind weitere Effekte zu berücksichtigen:[19]

  • Der Strahlungsdruck der Sonne
  • Die Koma des Kometen entsteht in Sonnennähe durch Ausgasungen aus aktiven Stellen des Kometen. Der Teilchenstrom bewirkt eine Beschleunigung. Ebenso kann durch die (stationäre) Teilchenwolke um den Kometen eine Abbremsung der Sonde auftreten.
  • Die Gezeitenkraft der Sonne.

Orientierung und Navigation in Kometennähe[Bearbeiten]

Durch die große Laufzeit der Kommunikationssignale ist eine direkte Steuerung von der Erde aus nicht möglich. Sonde und Lander müssen daher autonom agieren können. Insbesondere betrifft das die Lageregelung.

Trivia[Bearbeiten]

Das Minor Planet Center, das erdnahe Asteroiden beobachtet, veröffentlichte in einem Zirkular vom 8. November 2007 die Entdeckung eines Objektes, das sehr nahe an der Erde vorbeifliegen würde, und vergab ihm die Katalogbezeichnung 2007VN84. Schnell stellte sich heraus, dass in Wirklichkeit die Raumsonde Rosetta auf ihrem Anflug zum zweiten Swing-by-Manöver an der Erde beobachtet wurde. Die Bezeichnung wurde daher wieder zurückgezogen.

Darüber hinaus entdeckte das Forscherteam Anfang November 2007 einen Körper, der Rosetta zu folgen schien. Der Abstand verringerte sich bis auf wenige 100.000 km beim Vorbeiflug an der Erde am 13. November. Nachdem verlorengegangene Bauteile der Sonde selbst ausgeschlossen werden konnten, wurde ein Objekt der die Erdbahn kreuzenden Apollo-Asteroiden vermutet.[20]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Dietrich Möhlmann, Stephan Ulamec: Raumsonde Rosetta. Die abenteuerliche Reise zum unbekannten Kometen. Kosmos Verlag, Stuttgart 2014. (Ulamec ist Projektleiter des Rosetta-Landers).

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Rosetta (Sonde) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

ESA, DLR:

Partner:

Neutrale:

Video:

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c Hermann Böhnhardt, Lead Scientist Rosetta: Landing site selection process – an exercise, 2nd and 3rd rounds. MPS Göttingen, 6. Juni 2014, abgerufen am 22. Juni 2014.
  2. Rosetta orbiting the comet. ESA, 10. Februar 2014, abgerufen am 10. Mai 2014 (englisch).
  3. Europa will jetzt auf Kometen landen. ESA, abgerufen am 10. Mai 2014.
  4. Die Rosetta-Kometenmission im Überblick. ESA, abgerufen am 10. Mai 2014.
  5. Rosetta's journey. ESA, 9. November 2007, abgerufen am 9. Juni 2014.
  6. ESOC swings into action for Rosetta swingby. ESA, 26. November 2006, abgerufen am 10. Mai 2014 (englisch).
  7. ESA: Rosetta comet probe enters hibernation in deep space, 8. Juni 2011.
  8. ESA: The Big Burns Part 3, 17. Juni 2014.
  9. ESA: Rosetta's orbit around the comet, 20. Januar 2014, mit Animation.
  10. Rosetta monitors Deep Impact. ESA, 20. Juni 2005, abgerufen am 10. Mai 2014 (englisch).
  11. Begegnung der anderen Art: Rosetta beobachtet Asteroiden aus nächster Nähe. ESA, 6. September 2008, abgerufen am 10. Mai 2014.
  12. ESA: Rosetta flyby confirmed, 5. September 2008.
  13. ESA: Steins: A diamond in the sky, 6. September 2008.
  14. DLR: Kometensonde Rosetta sendet einzigartige Bilder vom Asteroiden Lutetia, 10. Juli 2010.
  15. DLR: Rosetta in Zahlen - Technische Daten und Missionsverlauf, 17. Januar 2014.
  16. NASA Jet Propulsion Laboratory, CalTech: NASA Instruments on Rosetta Start Comet Science.
  17. MPS: OSIRIS: Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System.
  18. S. Gulkis et al.: MIRO: Microwave Instrument for Rosetta Orbiter. Space Science Reviews, 128, 2007, S. 561–597, doi:10.1007/s11214-006-9032-y.
  19. Daniel Schiller: Orbitsimulation um unsymmetrische rotierende Objekte unter Berücksichtigung verschiedener Störeinflüsse. Dipl.-Arbeit. Universität der Bundeswehr, Institut für Raumfahrttechnik, München 2002.
  20. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatThorsten Dambeck: Unbekanntes Flugobjekt verfolgt Raumsonde Rosetta. In: Spiegel Online. 15. November 2007, abgerufen am 31. Juli 2010.