MESSENGER

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Künstlerische Darstellung von MESSENGER in der Nähe von Merkur

MESSENGER bei den Startvorbereitungen

MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging) ist eine NASA-Raumsonde des Discovery-Programms, die den sonnennächsten Planeten Merkur erforschen soll. Die Sonde startete am 3. August 2004 und soll am 18. März 2011 in einen Orbit um Merkur einschwenken. MESSENGER wäre damit nach Mariner 10 die zweite Raumsonde, die Merkur je besucht hat, und die erste, die den Planeten als Orbiter umkreist.

Die Mission wird vom Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University geleitet, das die Raumsonde auch gebaut hat. Die Instrumente wurden sowohl vom APL, als auch vom Goddard Space Flight Center der NASA, von der University of Michigan und der University of Colorado geliefert. Die Kosten der Mission inklusive der Raumsonde und ihrer Instrumente, der Trägerrakete sowie der Missionsdurchführung und Datenanalyse bis zum Ende der Primärmission im März 2012 betragen etwa 427 Millionen US-Dollar.

[Bearbeiten] Missionsziele

Merkur gehört zu den am wenigsten erforschten Planeten des Sonnensystems. Dies liegt vor allem an den für Raumsonden sehr unwirtlichen Bedingungen in der Nähe der Sonne, wie der hohen Temperatur und intensiven Strahlung, sowie an zahlreichen technischen Schwierigkeiten, die bei einem Flug zum Merkur in Kauf genommen werden müssen. Selbst von der Erdumlaufbahn aus sind die Beobachtungsbedingungen zu ungünstig, um ihn mit Teleskopen beobachten zu können. Zum Beispiel würde der Spiegel des Hubble-Weltraumteleskops durch die Teilchen des Sonnenwindes großen Schaden nehmen, wenn man ihn auf einen dermaßen sonnennahen Bereich ausrichten würde.

Merkur wurde bisher von einer einzigen Raumsonde besucht, der US-amerikanischen Mariner 10, die von 1974 bis 1975 drei Mal an dem Planeten vorbei flog. Dabei konnten jedoch lediglich 45 Prozent seiner Oberfläche kartiert werden. Zusätzlich untersuchte Mariner 10 Merkur im infraroten und im UV-Licht und nahm Messungen des Magnetfeldes sowie der geladenen Partikel vor.

Im Gegensatz zur Mariner-10-Sonde, die lediglich kurze Vorbeiflüge am Merkur durchführen konnte, wird MESSENGER aus einer Umlaufbahn heraus den Planeten mit seinen zahlreichen Instrumenten weitaus genauer erforschen können. Die Primärmission der Sonde im Merkurorbit ist für ein Jahr ausgelegt. MESSENGER wird dabei erstmals den Planeten vollständig kartieren können, und soll sich speziell der Untersuchung der geologischen und tektonischen Geschichte des Merkur sowie seiner Zusammensetzung widmen. Weiterhin soll die Sonde nach dem Ursprung des Magnetfeldes suchen, die Größe und den Zustand des Planetenkerns bestimmen, die Polarkappen des Planeten untersuchen sowie die Exosphäre und die Magnetosphäre erforschen.

[Bearbeiten] Technik

MESSENGER hat die Form einer rundlichen, 1,27 × 1,42 × 1,85 m großen Box, die durch einen halbzylindrischen, etwa 2,5 m hohen und 2 m breiten Schutzschild vor Sonneneinwirkung geschützt ist. Lediglich zwei Solarpanels an gegenüberliegenden Seiten der Box sowie ein 3,6 m langer Magnetometerausleger sind außerhalb des Schutzschildes angebracht. Die Gesamtstartmasse der Raumsonde beträgt 1093 kg, dabei wiegt die Sonde selbst 485,2 kg, die restlichen 607,8 kg entfallen auf den mitgeführten Treibstoff (Hydrazin und Stickstofftetroxid) sowie Helium-Druckgas.

[Bearbeiten] Instrumente

MESSENGER trägt sieben wissenschaftliche Instrumente, zudem soll das Kommunikationssystem der Raumsonde zur Bestimmung des Gravitationsfeldes des Merkur verwendet werden (Radio Science). Fünf der Instrumente sind im unteren Teil der Sonde angebracht, eins (EPPS) im oberen sowie an der Seite und das MAG an einem 3,6 m langen Ausleger.

Mercury Dual Imaging System (MDIS): MDIS besteht aus einer Weitwinkelkamera mit einem Blickfeld von 10,5° und einer Schmalwinkelkamera mit einem Blickfeld von 1,5°. Das Licht tritt in das Instrument durch ein 12 × 12 cm breites Fenster, welches nur das sichtbare und Nahinfrarot-Licht bis zu einer Wellenlänge von 1,1 µm durchlässt. Die Hauptaufgaben von MDIS sind: Anfertigen von Farbaufnahmen des Merkur während der Vorbeiflüge, hochauflösende Aufnahmen ausgewählter Gebiete und Stereobilder für hochauflösende Topografie. Ein globales monochromes Mosaik des Merkur mit einer mittleren Auflösung von 250 m pro Bildpunkt soll während der ersten sechs Monate der Mission erstellt werden. Während der nächsten sechs Monate soll die Aufnahme des Mosaiks aus einem anderen Winkel wiederholt werden, um so Stereobilder erzeugen zu können. Weitwinkel-Farbaufnahmen mit allen zehn Farbfiltern sollen für ca. 40% der Oberfläche erstellt werden.

Die Weitwinkelkamera verfügt über ein achromatisches Cooke-Triplet-Objektiv mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Brennweite von 79 mm. Die Kamera ist mit einem 12-Positionen-Filterrad ausgestattet. Zwei der Filter sind Bandpässe mit einer Bandbreite von 100 nm, zentriert jeweils auf 600 nm und 750 nm. Weitere zehn Filter sind Farbfilter, zentriert auf 415 nm (40 nm Bandbreite), 480 (30), 560 (10), 650 (10), 750 (10), 830 (10), 900 (10), 950 (20), 1000 (30) und 1020 (40). Aufgenommen wird das einfallende Licht von einem Frame-Transfer-CCD mit 1024 × 1024 Bildpunkten (Pixel). Jedes Pixel ist 14 µm groß. Bilder in voller Pixelgröße können alle vier Sekunden, Teilbilder (512 × 512 oder kleiner) jede Sekunde gewonnen werden. Die Auflösung der Kamera beträgt 72 m bei einer Entfernung von 200 km und 5,4 km bei 15.000 km Entfernung.

Die Schmalwinkelkamera verwendet ein Ritchey-Chretien-Teleskop mit einer Brennweite von 550 mm. Nur ein Filter steht der Kamera zur Verfügung. Ein mit dem der Weitwinkelkamera identischer CCD, dient dem Erstellen der Aufnahmen. Die Auflösung beträgt 5,2 m bei einer Entfernung von 200 km und 390 m bei 15.000 km Entfernung.

MDIS wiegt 7,9 kg und benötigt im Mittel 10 Watt Leistung. Insgesamt werden bis zum Ende der Primärmission 12 Gb Daten von MDIS erwartet. Das Instrument wurde vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.^[1]^[2]

Gamma-Ray and Neutron Spectrometer (GRNS): Mit dem GRNS wird die Zusammensetzung des Merkurs erforscht, insbesondere soll das Vorkommen solcher Elemente wie Sauerstoff (O), Silizium (Si), Schwefel (S), Eisen (Fe), Wasserstoff (H), Kalium (K), Thorium (Th) und Uran (U) untersucht werden. Mit GRNS soll vor allem die geologische Geschichte des Planeten studiert und nach Eis an dessen Polkappen gesucht werden. Das Experiment besteht aus zwei Instrumenten: Dem Gamma-Ray Spectrometer und dem Neutron Spectrometer.

Gamma-Ray Spectrometer misst Gammastrahlung, die entweder durch das Bombardement mit galaktischer kosmischer Strahlung (O, S, Si, Fe, und H) oder durch natürlichen radioaktiven Zerfall (K, Th und U) entsteht, bis zu einer Bodentiefe von etwa 10 cm. Das Gamma-Ray Spectrometer ist ein 31 cm hoher Zylinder, welcher den aktiv abgeschirmten Szintillator enthält. Dieser ist von einem 9 × 9,5 cm großen, 1,25 cm dicken Schild aus Bismutgermanat (BGO) geschützt, hinter dem sich ein Photomultiplier befindet. Der Schild erlaubt ein Blickfeld von 45°. Als Detektor dient ein Germanium-Halbleiterkristall, welcher bis zu einer Temperatur von -183°C gekühlt wird. Der messbare Energiebereich ist 0,3-10 MeV, die Integrationslänge beträgt 300 s im Periapsis und 1800 s im Apoapsis.

Das Neutron Spectrometer erfasst Niedrigenergie-Neutronen, welche durch das Bombardement mit kosmischer Strahlung und anschließenden Kollisionen mit wasserstoffreichem Material in den oberen 40 cm der Planetenoberfläche entstehen. Das Spektrometer besteht aus zwei schaufelförmigen GS20-Glass-Szintillatoren (6,6% Lithium) mit einer Fläche von jeweils 80 cm² und einer Dicke von 6,5 cm, getrennt durch zwei neutron-absorbierenden BC454-Szintillatoren (borierter Kunststoff) mit einer Gesamtfläche von 80 cm². Die GS20-Szintillatoren messen thermale, BC454-Szintillatoren epithermale und schnelle Neutronen.

GRNS wiegt 13,1 kg und benötigt im Mittel 4,5 Watt (maximal 23,6 Watt) Leistung. Insgesamt werden bis zum Ende der Primärmission 3,9 Gb Daten von GRNS erwartet. Das Instrument wurde vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.^[1]^[3]

Magnetometer (MAG): Das Magnetometer wird das Magnetfeld des Merkur vermessen. Basierend auf den gelieferten Daten soll ein dreidimensionales Model der Magnetosphäre des Planeten erstellt werden. Um Störungen durch das bordeigene Magnetfeld zu vermeiden, ist das Instrument an einem 3,6 m langen Ausleger montiert, welcher in die der Sonne entgegengesetzte Richtung zeigt. MAG misst die magnetische Flussdichte im Bereich von -1024 bis +1024 nT. Zur Quantisierung der gemessenen Werte stehen 16 Bit zur Verfügung, die somit erreichbare Messauflösung liegt bei 0,03 nT. Die Abtastrate des Detektors beträgt 40 Hz, Messwerte können in einstellbaren Zeitabständen von 25 ms bis 1 s ausgelesen werden.

MAG wiegt zusammen mit dem Ausleger 4,4 kg und benötigt im Mittel 2 Watt (maximal 4,2 Watt) Leistung. Insgesamt werden bis zum Ende der Primärmission ca. 440 Mb Daten vom Magnetometer erwartet. Das Instrument wurde vom Goddard Space Flight Center der NASA entwickelt.^[1]^[4]

Mercury Laser Altimeter (MLA)

Mercury Laser Altimeter (MLA): Mittels Impulsen eines Lasers, deren Laufzeit von der Sonde zum Merkur und zurück gemessen werden, kann MLA topographische Erkenntnisse über den Merkur gewinnen. Messungen können vorgenommen werden, sobald die Höhe der Umlaufbahn der Sonde weniger als 1000 km über der Planetenoberfläche liegt. Da sich MESSENGER auf einer hochelliptischen Bahn bewegt, deren niedrigster Punkt bei 60° nördlicher Breite liegt, kann MLA nur die nördliche Planetenhemisphäre erfassen.

MLA basiert auf den Instrumenten MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter) der Raumsonde Mars Global Surveyor und GLAS (Geoscience Laser Altimeter System) des ICESat-Satelliten. Das Instrument verwendet einen Cr:Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Der Laser arbeitet mit einer Frequenz von 5 Hz und sendet Lichtimpulse mit einer Energie von 20 mJ und einer Dauer von 5 ns aus. Die vom Planeten reflektierten Impulse werden von einem Empfänger, bestehend aus vier Saphir-Linsen, aufgefangen. Die Transitzeit eines Lichtimpulses wird mit einer Genauigkeit von 3,3 ns gemessen, dies ergibt eine Messauflösung von 0,5 m.

MLA wiegt 7,4 kg und benötigt im Mittel 20 Watt (maximal 38,6 Watt) Leistung. Insgesamt werden bis zum Ende der Primärmission ca. 1,5 Gb Daten von MLA erwartet. Das Instrument wurde vom Goddard Space Flight Center der NASA entwickelt.^[1]^[5]

Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer (MASCS): Dieses Spektrometer wird die Zusammensetzung der Atmosphäre des Merkur erforschen. MASCS wiegt 3,1 kg und benötigt im Mittel 3 Watt (maximal 8,2 Watt) Leistung. Das Instrument wurde von der University of Colorado entwickelt.^[1]^[6]

Energetic Particle and Plasma Spectrometer (EPPS): EPPS misst die Beschaffenheit und Verteilung von geladenen Teilchen wie Elektronen und verschiedenen Ionen in Merkurs Magnetfeld. EPPS wiegt 3,1 kg und benötigt im Mittel 2 Watt (maximal 7,8 Watt) Leistung. Das Instrument wurde von der University of Michigan und vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.^[1]^[7]

X-Ray Spectrometer (XRS): Gamma- und Röntgenstrahlung von der Sonne kann auf der Merkur-Oberfläche Elemente dazu veranlassen, Röntgenstrahlung niedriger Energie auszusenden. XRS kann diese aufspüren und damit Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Merkur zulassen. Dabei werden von XRS die Elemente Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Schwefel (S), Calcium (Ca), Titan (Ti) und Eisen (Fe) aus der oberen 1 mm dicken Oberflächenschicht detektiert.

XRS ist eine modifizierte Version des Instrumentes XGRS der Raumsonde NEAR Shoemaker. XRS enthält drei zylindrische, mit Gas gefüllte Proportionalzählrohre, die hinter einem 25 µm dicken Beryllium-Fenster angebracht sind. XRS wiegt 3,4 kg und benötigt im Mittel 8 Watt (maximal 11,4 Watt) Leistung. Insgesamt werden bis zum Ende der Primärmission ca. 1,5 Gb Daten von XRS erwartet. Das Instrument wurde vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.^[1]^[8]

Radio Science (RS): Im Rahmen des RS werden durch das bordeigene Kommunikationssystem mittels des Dopplereffekts kleine Abweichungen in der Geschwindigkeit der Sonde gemessen. Aus diesen Daten lässt sich auf die Massenverteilung des Merkur schließen. Durch Radio-Okkultation werden zudem die genauen Abmessungen des Planeten und die Amplitude seiner Libration gemessen. RS wird vom Goddard Space Flight Center der NASA geleitet.^[1]^[9]

[Bearbeiten] Ablauf der Mission

Start der NASA-Raumsonde MESSENGER an Bord einer Delta II 7925H-Rakete

MESSENGERs Flug zum Merkur

Das Projekt einer Raumsonde zum Merkur namens MESSENGER war bereits 1997 unter den Finalisten der Discovery-Programm-Auswahl, konnte sich jedoch gegen andere Missionen nicht durchsetzen. Im März 1998 wurde MESSENGER erneut von der NASA in die Auswahl für eine Mission im Rahmen des Discovery-Programms einbezogen, im November 1998 war MESSENGER einer der fünf Finalisten mit der besten wissenschaftlichen Ausbeute von insgesamt 26 Vorschlägen^[10]. Schließlich wurde am 7. Juli 1999 MESSENGER zusammen mit Deep Impact zur Finanzierung im Rahmen des Discovery-Programms genehmigt. Die Kosten der Raumsonde wurden damals mit 286 Millionen US-Dollar beziffert^[11].

Ursprünglich geplant war ein Start im Frühjahr 2004, dieser wurde jedoch aus technischen Gründen verschoben. Am 2. August musste der Start wegen dichter Bewölkung über Cape Canaveral verschoben werden. Die Sonde nutzte beim Start am 3. August 2004 um 02:15:56 Ortszeit (EDT) vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral ein 15-tägiges Startfenster, das sich am 30. Juli 2004 öffnete. Als Trägerrakete wurde eine Delta II 7925H verwendet.

Die Sonde wird rund acht Milliarden Kilometer durch das Sonnensystem fliegen, bevor sie im März 2011 als erste Raumsonde in eine Umlaufbahn um den Merkur einschwenken, und ihn ein Jahr lang in Höhen zwischen 200 km und 15.000 km umrunden wird.

Die Reise dauert so lang, weil aus Gründen der Treibstoff-Ersparnis die Methode des mehrfachen "Swing-by" angewandt, und bei dieser Gelegenheit ebenfalls die Venus erkundet wird. Dabei gewinnt die Sonde durch unsymmetrische Annäherung an Erde, Venus und Merkur einen Teil ihrer nötigen Bahnenergie, bzw. wird auf ähnliche Art wieder gebremst.

Das Swing-by an der Erde wird nach einem Jahr sein, zwei an der Venus 2006/07 und drei am Merkur ab 2008. Letztere ergeben etwa 33 % der Energie. Wegen der langen Rotationsdauer des Merkur hat die dann geplante Umlaufbahn von MESSENGER eine spezielle Form, um den Planeten jeweils im Sonnenlicht beobachten zu können.

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über den bisherigen Flugverlauf und über die wichtigsten geplanten Wegstationen.

Flugverlauf
Datum	Ereignis	Anmerkungen
3. August 2004	Start	^[12]
24. August 2004	TCM* 1	215 Sekunden Triebwerksbrennzeit mit delta v (Geschwindigkeitsänderung) von etwa 18 m/s ^[13]
24. September 2004	TCM 2	62 Sekunden Triebwerksbrennzeit mit delta v von etwa 4,59 m/s ^[14]
18. November 2004	TCM 3	48 Sekunden Triebwerksbrennzeit mit delta v von etwa 3,24 m/s ^[15]
23. Juni 2005	TCM 5	174 Sekunden Triebwerksbrennzeit mit delta v von etwa 1,1 m/s, vorher geplante TCM 4 war nicht erforderlich ^[16]
21. Juli 2005	TCM 6	23 Sekunden Triebwerksbrennzeit mit delta v von etwa 0,15 m/s ^[17]
2. August 2005	Swing-by an der Erde	Erstes Swing-by an der Erde in einer Höhe von 2347 km ^[18]
12. Dezember 2005	TCM 9/DSM** 1	524 Sekunden Triebwerksbrennzeit mit delta v von 315,63 m/s, vorher geplante TCM 7 und TCM 8 waren nicht erforderlich ^[19]
22. Februar 2006	TCM 10	etwas über 2 Minuten Triebwerksbrennzeit mit delta v von etwa 1,4 m/s ^[20]
12. September 2006	TCM 11	etwas unter 4 Minuten Triebwerksbrennzeit mit delta v von etwa 1,68 m/s ^[21]
5. Oktober 2006	TCM 12	58 Sekunden Triebwerksbrennzeit mit delta v von 0,498 m/s ^[22]
24. Oktober 2006	Swing-by an der Venus	Erstes Swing-by an der Venus in einer Höhe von 2990 km (zweites Swing-by insgesamt) ^[23]
2. Dezember 2006	TCM 13	3607 Sekunden Triebwerksbrennzeit mit delta v von etwa 25,6 m/s ^[24]
Geplant
6. Juni 2007	Swing-by an der Venus	Zweites Swing-by an der Venus in einer Höhe von 300 km
15. Januar 2008	Swing-by am Merkur	Erstes Swing-by am Merkur in einer Höhe von 200 km
6. Oktober 2008	Swing-by am Merkur	Zweites Swing-by am Merkur in einer Höhe von 200 km
30. September 2009	Swing-by am Merkur	Drittes Swing-by am Merkur in einer Höhe von 200 km
18. März 2011	Ankommen am Merkur	Einschwenken in einen elliptischen Orbit um den Merkur
14. Juni 2011	Bahnkorrektur	Bahnkorrektur für einen kreisförmigen Orbit
März 2012	Missionsende	Voraussichtliches Ende der Primär-Mission