Cassini-Huygens

Grafik: Sonde Cassini-Huygens am Saturn, siehe auch die Animation der Sonde

Cassini

Modell der Huygens-Landesonde

Temperaturisolation der Huygens-Sonde

Der Start mit einer Titan IVB, 15. Oktober 1997

Flugbahn der NASA/ESA-Raumsonde Cassini-Huygens: Nach dem Start an der Erde fliegt sie zweimal an der Venus und einmal an der Erde vorbei sowie einmal am Jupiter, bis sie durch diese Swing-by-Manöver genug kinetische Energie hat, ihr Ziel, den Saturn zu erreichen.

Der Saturn (fotografiert von Cassini am 9. Februar 2004. Cassini-Huygens war zu diesem Zeitpunkt noch 69,4 Millionen Kilometer vom Saturn entfernt. Auf der linken Seite ist der kleine Mond Enceladus erkennbar.

Der Saturnmond Phoebe (fotografiert von Cassini im Juni 2004). Die besten Bilder des Mondes wurden aus einer Entfernung von etwa 2.000 Kilometern aufgenommen.

Der Saturnmond Japetus (fotografiert von Cassini im Juli 2004). Das Bild wurde aus einer Entfernung von etwa drei Millionen Kilometern aufgenommen.

Aufnahme der Wolkendecke Titans (fotografiert von Cassini im Juni 2004)

Bei der Cassini-Huygens-Mission handelt es sich um eine Mission zur Erforschung des Saturn und seiner Monde. Die Raumsonde besteht dabei aus zwei Einheiten: Dem Cassini-Orbiter, der den Saturn für mindestens vier Jahre umrunden soll, und der Landekapsel Huygens, deren Mission in der Landung auf dem größten Saturnmond Titan bestand.

[Bearbeiten] Die Namensgeber

Der Orbiter wurde nach dem italienischen Mathematiker und Astronom Giovanni Domenico Cassini benannt, der 1675 die nach ihm benannte Teilung der Saturnringe entdeckte. Die Sonde Huygens wurde nach dem niederländischen Astronom, Mathematiker und Physiker Christiaan Huygens benannt, der am 23. März 1665 den Saturnmond Titan entdeckte.

[Bearbeiten] Missionsübersicht

Cassini-Huygens ist ein gemeinsames Projekt von NASA, ESA und der italienischen Weltraumagentur ASI. Der Orbiter Cassini wurde vom Jet Propulsion Laboratory der NASA entwickelt und gebaut, die Sonde Huygens, die die Atmosphäre von Titan untersuchen soll, kam von der ESA, und ASI fertigte die Hochleistungs-Antenne. Insgesamt 17 Nationen sind an der Mission beteiligt, die Daten für über 200 Wissenschaftler liefern soll und etwa 3,27 Milliarden US-Dollar (2,5 Milliarden Euro) bis zum Ende der Primärmission im Sommer 2008 kostet. Dabei kostete die Entwicklung und der Bau der Cassini-Sonde 1.422 Millionen US-Dollar, 422 Millionen US-Dollar kostete die Titan-IVB/Centaur Trägerrakete, 54 Millionen US-Dollar die Bahnverfolgung, 500 Millionen US-Dollar wurden von der ESA beigesteuert, 160 Millionen US-Dollar von der ASI und 710 Millionen US-Dollar kostet die Missionsduchführung bis zum Ende der Primärmission. Das Berliner Institut für Planetenforschung des DLR ist in Kooperation mit Prof. Gerhard Neukum von der FU Berlin ebenfalls mit mehreren Experimenten am Orbiter beteiligt. Eine weitere deutsche Beteiligung ist der Staubdetektor CDA, der von der Dustgroup des Heidelberger MPI-K betreut wird.

Die Raumsonde ist 6,7 Meter hoch und 4 Meter breit. Die Startmasse beträgt 5712 kg, davon entfallen 3132 kg auf den Treibstoff, 320 kg auf die Huygens-Sonde und 2125 kg wiegt Cassini selbst. Die restlichen 135 kg entfallen auf den Trägerraketenadapter. Damit ist Cassini-Huygens die schwerste je von den USA gestartete Raumsonde, weltweit waren nur sowjetische Fobos-Sonden mit jeweils 6220 kg noch schwerer. Zur Energieversorgung dienen drei Radioisotopengeneratoren (RTG) mit insgesamt 33 kg Plutoniumdioxid (hauptsächlich ²³⁸Pu), die beim Start 885 Watt Leistung lieferten, zum Ende der Primärmission soll der Wert auf 633 Watt sinken. Der Start der Sonde am 15. Oktober 1997 geriet wegen dieser radioaktiven Energieversorgung in die Schlagzeilen. Die Risiken beim Start und während des Swing-by-Manövers an der Erde, das der Sonde nochmal zusätzlichen Schub geben sollte, wurden besonders von Umweltverbänden kritisiert. Die Energie erzeugt der Radioisotopengenerator, indem er die Wärme aus radioaktivem Zerfall in elektrische Energie umwandelt. Eine kontroverse Diskussion entstand aufgrund von Befürchtungen, dass es im Falle eines Verglühens der Sonde in der Atmosphäre möglicherweise zu Krebstoten kommen könnte – geschätzte Zahlenwerte über die möglichen Opfer bewegten sich zwischen 100 und mehreren Millionen. Dies kann allerdings als reine Spekulation bewertet werden, da selbst heute wenig über die Radiobiologie des Plutoniums bekannt ist und ein Verglühen des Plutoniums durch die Einfassung in einen stabilen, keramischen Körper als unwahrscheinlich bezeichnet werden kann.

Gestartet wurde die Sonde am 15. Oktober 1997. Auf ihrer 7-jährigen Reise in Richtung Saturn passierte die Sonde Venus, die Erde und anschließend Jupiter. Die Bordinstrumente konnten bereits bei diesen Begegnungen zahlreiche wissenschaftliche Daten liefern. So ergab das für die Saturnmonde konstruierte Radar die bisher genaueste Kartierung einiger Venus-Regionen. Magnetometer-Tests zeigten, dass es entgegen der Daten der sowjetischen Venera-Sonden keine Blitze aus den 40 km hohen Venus-Wolken gibt. Die kombinierte Erkundung des Jupiter durch Cassini-Huygens und die bis zum 21. September 2003 noch immer funktionstüchtige Galileo-Sonde lieferte einzigartige Daten über Nordlichter und die Umgebung des Riesenplaneten. Die Daten über die Erde sind interessant für die simulierte Suche nach außerirdischem Leben, für den Umweltschutz und für die Geophysik.

[Bearbeiten] Wegstationen Erde–Venus–Jupiter–Saturn

• Vom 6. Oktober bis 15. November 1997 war das Startfenster für die ideale Planetenkonstellation. Nach zwei technischen Verzögerungen (Aufgrund eines Kühlaggregats, das Huygens beschädigte und eine Reparatur erzwang, wurde der Start am 6. Oktober auf den 13. Oktober verschoben, welcher durch einer Computerpanne erneut verschoben wurde.) erfolgte der
• Start am 15. Oktober 1997 09:43 UT mit einer Titan IVB mit einer Centaur-Oberstufe, der damals stärksten US-Rakete. Sie konnte nur eine Fluchtgeschwindigkeit von 12,4 km/s aufbringen, um Saturn zu erreichen wären aber 15,1 km/s nötig. Um die Geschwindigkeit zu erreichen, wurden spätere Swing-by-Manöver benutzt.
• Einschuss zur Venus (in die Gegenrichtung) auf eine hinter der Erde zurückbleibende Übergangsbahn. Nach etwa 60 % entlang dieser Ellipse erfolgt am...
• 24. April 1998 der 1. Vorbeiflug an der Venus mit 11,7 km/s in nur 300 km Höhe, wodurch sich die Bahnellipse um ein Drittel vergrößert.
• 3. Dezember 1998 Kurskorrektur um 400 m/s nahe der Marsbahn, um die Venus nach zwei ihrer Umläufe an geeigneter Stelle zu erreichen.
• 24. Juni 1999 2. Vorbeiflug an der Venus mit bereits 13,6 km/s in 600 km Höhe. Durch Ausnützen einer günstigen Konstellation kam es schon nach 54 Tagen am...
• 18. August 1999 zum Swing-by an der Erde mit 19,1 km/s in 1200 km Höhe
• 1. Dezember 1999 wird die HGA-Antenne zur Erde gedreht.
• 23. Januar 2000 Annäherung an den Asteroiden (2685) Masursky auf 1.5 Mio. km; er ist aber in der NAC-Kamera nur ein Pünktchen – ebenso wie am...
• Februar 2000 kleine Flugplan-Änderung wegen Empfängerdefekt für Huygens. Bei der Entwicklung der Transmitter wurde die Frequenzverschiebung durch den Doppler-Effekt nicht berücksichtigt. Durch die neue Flugbahn wird der Doppler-Effekt abgemildert und die Transmitterfunktionalität annähernd wieder hergestellt.
• 18. August 2000 der Jupitermond Himalia wird in 4,4 Mio. km Distanz passiert.
• 1. Oktober 2000 Beginn der Jupiterbeobachtungen (84,4 Mio. km), und
• 30. Dezember 2000 Swing-by an Jupiter in 9,7 Mio. km mit 11,6 km/s, was die Übergangsbahn zum Saturn um 2 Jahre verkürzt.
• 22. März 2001 Ende der Jupitermessungen (84 Mio. km).
• 6. Februar 2004 Beginn der Saturnbeobachtungen (70 Mio. km),
• 11. Juni 2004 Vorbeiflug am Saturnmond Phoebe in etwa 2000 km Abstand

Die vier Vorbeiflüge ergaben Geschwindigkeitssteigerungen von 3,7 und 3,1 km/s bei Venus, 4,1 km/s bei Erde und 2,1 km/s durch Jupiter trotz seiner großen Distanz. Der Saturnmond Phoebe machte nur 29 m/s aus.

• Die Weltraumsonde hat am 30. Juni 2004 den Saturn erreicht.

[Bearbeiten] Missionsverlauf

[Bearbeiten] Jupiter

Nach ihrem Start am 15. Oktober 1997 verlief der Flug von Cassini-Huygens alles andere als ereignislos. Sie konnte während mehrerer Swing-By-Manöver bereits ihre Instrumente an den Planeten Erde, Venus und Jupiter testen. Letzterer Vorbeiflug bildete den bisherigen Höhepunkt der Reise, als Cassini zum Jahreswechsel 2000/2001 bisher unerreicht scharfe Aufnahmen vom gesamten Jupiter schoss.

[Bearbeiten] Bestätigung der Relativitätstheorie

Nach dem Jupiter-Vorbeiflug ging es direkt in Richtung Saturn. Für diese Strecke sollte die Sonde noch einmal dreieinhalb Jahre brauchen – mehr als die Hälfte ihrer gesamten Flugzeit. Daraus erkennt man die Verlangsamung im Schwerefeld der Sonne. Doch in diesem Zeitraum hatte Cassini Aufgaben: Im Sommer 2002 lagen Erde, Sonne und die Raumsonde genau auf einer Linie. Die Sonne lag also genau zwischen Erde und Cassini. Diese Konstellation nutzten italienische Wissenschaftler um die allgemeine Relativitätstheorie Albert Einsteins genauer zu überprüfen.

Das Experiment wurde bereits im frühen 20. Jahrhundert durchgeführt: Während einer totalen Sonnenfinsternis konnte die Ablenkung eines Fixsterns aus seiner Richtung gemessen werden – ein Beweis dafür, dass die Sonne mit ihrer Masse den Raum krümmt und dadurch Lichtstrahlen verbiegt. Das italienische Experiment arbeitete nach demselben Prinzip: Durch die Masse der Sonne wurde das Signal der Sonde so abgelenkt, als ob es scheinbar von einer anderen Position aus abgesendet worden sei. Die Messung erlaubte eine 50-mal genauere Messung des Phänomens, als dies von der Erde aus möglich war.

Siehe auch: http://www.raumfahrer.net/raumfahrt/raumsonden/cassini_einstein.shtml

[Bearbeiten] Titan in Sicht

Priorität bekam vor der Ankunft am Saturn schließlich die genauere Erforschung von Titan. Dies wurde auch nach der Ankunft am 1. Juli 2004 fortgesetzt, um die Landung von Huygens auf dem Saturntrabanten am 14. Januar 2005 vorzubereiten. Zu diesem Zweck hatte auch das Hubble-Teleskop hochaufgelöste Aufnahmen von dem bewölkten Mond geschossen. Die bisher besten Cassini-Aufnahmen von Titan gelangen im Juni 2004, als die Sonde nur noch 10,4 Millionen Kilometer von dem Mond entfernt war.

[Bearbeiten] Vorbei an Phoebe

Am 11. Juni 2004 passierte die Sonde den äußeren Saturnmond Phoebe mit einem Abstand von nur 2.068 km und untersuchte diesen erstmals seit der Voyager 2 Mission aus der Nähe.

[Bearbeiten] Einschwenken in die Umlaufbahn

Am 1. Juli ist Cassini-Huygens in eine Umlaufbahn um den Saturn eingetreten. Der Mindestabstand zur Wolkendecke des Saturn betrug 19.960 km. Das Manöver galt als missionskritisch, da ein Signal von der Erde bis zu Cassini-Huygens eine Stunde und 24 Minuten benötigt. So konnten die Ingenieure der NASA nur darauf hoffen, dass die von ihnen gesendeten Befehle auch zum richtigen Zeitpunkt ausgeführt werden. Ein Fehler hätte die Sonde nicht in eine Umlaufbahn eintreten lassen.

Am 2. Juli flog die Sonde in 339.000 km am Saturnmond Titan vorbei. Am 15. Juli machte Cassini erstmals Aufnahmen des Mondes Japetus aus etwa drei Millionen Kilometer Entfernung. Die Aufnahmen zeigen, dass die Oberfläche des Saturntrabanten deutlich in zwei verschiedene Hälften geteilt ist, wobei ein Teil sehr dunkel erscheint, was auf unterschiedliche Zusammensetzung schließen lässt. Vielleicht handelt es sich dabei um Gestein aus dem Kern von Japetus.

Im August entdeckte die Raumsonde zwei bislang unbekannte Monde des Saturns, die die vorläufigen Namen S/2004 S 1 und S/2004 S 2 erhielten.

Am 26. Oktober flog die Raumsonde in nur 1200 Kilometer Entfernung am Saturn-Mond Titan vorbei. Auf den dabei gemachten Radarfotos der Titanoberfläche zeigen sich komplexe Oberflächenstrukturen, deren korrekte wissenschaftliche Interpretation noch unklar ist.

[Bearbeiten] Zusammenfassung

• 26. Oktober 2004: 1. gezielter Titan-Vorbeiflug, 1.200 km
• 13. Dezember 2004: 2. gezielter Titan-Vorbeiflug, 2.340 km
• 25. Dezember 2004: Absetzen der Huygens-Sonde
• 14. Januar 2005: Huygens-Titanlandung
• 14. Januar 2005: Cassini-Titan-Vorbeiflug.

siehe auch [1].

Die aktuelle Lage von Cassini zu Saturn, Titan und Erde ist auf [2] zu sehen.

Insgesamt sind 74 Umläufe um den Saturn geplant. Am Saturnmond Titan sind 45 Vorbeiflüge vorgesehen, die auch zur Bahnänderung benutzt werden, damit auch die Monde Iapetus (am 1. Januar 2005 und am 10. September 2007), Enceladus (am 17. Februar, 9. März und 14. Juli 2005, sowie am 12. März 2008), Mimas (am 2. August 2005), Tethys (am 24. September 2005 und am 27. Juni 2007), Hyperion (am 26. September 2005), Dione (am 11. Oktober 2005) und Rhea (am 26. November 2005 und am 30. August 2007) aus der Nähe beobachtet werden können [3].

[Bearbeiten] Huygens landet auf Titan

Am Morgen des 25. Dezember 2004 hat sich die europäische Sonde Huygens vom Orbiter getrennt, drang am 14. Januar 2005 in die Titan-Atmosphäre ein und landete um 13:47 Uhr auf der Oberfläche. Wegen der langen Laufzeit der Signale mussten alle Vorgänge vollautomatisch ablaufen, denn Steuersignale von der Erde hätten mit 68 Minuten viel zu lange gebraucht, um Huygens rechtzeitig zu erreichen. Die durch einen Hitzeschild geschützte Kapsel trat um ca. 11:13 MEZ in die Atmosphäre ein und benötigte 2 h 27 min 50 sek bis zum Aufsetzen. Dabei wurde sie von ca. 6,1 km/s innerhalb von 3 Minuten auf ca. 400 m/s abgebremst und der Hitzeschild auf 1.200 Grad erwärmt. Bei Mach 1,5 wurde in ca. 180 km Höhe der Pilotschirm, der erste von drei Fallschirmen, mit 2 Meter Durchmesser aktiviert, wodurch das Back-cover entfernt und der Hauptschirm (8,3 Meter) geöffnet wurde. Nach 30 Sekunden war die Huygens auf Mach 0,6 abgebremst und der Hitzeschild, welcher mit über 100 kg fast ein Drittel des Gewichtes der Sonde ausmacht, wurde abgeworfen. In einer Höhe von 150 km machte die sich drehende Sonde bei stürmischen Bedingungen Bilder, wobei jedoch manchmal die Orientierung verloren ging. Weitere 15 Minuten später wurde in ca. 120 km Höhe bei einer Geschwindigkeit von 40 m/s der Hauptschirm abgeworfen und die Kapsel glitt in den nächsten 2,5 Stunden an dem ca. 3 Meter großen Gleitschirm bis zur Oberfläche herab. Während des gesamten Durchgangs durch die Atmosphäre wurden chemische, physikalische und meteorologische Messungen ausgeführt. Kurz vor Erreichen der Oberfläche leuchtete ein Scheinwerfer den Landeplatz aus. Nach der Landung machte die starre Sonde immer wieder dasselbe Bild vom Landeplatz in eine Richtung.

Außer der obligatorischen Kamera hatte die Sonde weitere Instrumente an Bord, die zur Messung des Magnetfeldes benutzt wurden und die auch andere Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums erkunden.

Titan ist der einzige bekannte Mond unseres Sonnensystems, der eine dichte Atmosphäre besitzt. Bisher ist völlig unklar, was sich unter den dichten Wolkenschleiern aus Methan verbirgt. Damit hat die Atmosphäre Ähnlichkeiten mit der der Erde vor drei bis vier Milliarden Jahren. So war Huygens ebenso fähig, auf einer festen Oberfläche wie auf einem Ozean aus flüssigem Methan zu landen und auch im schwimmenden Zustand die Daten zielgenau zu senden. Huygens landete auf einer Geröllwüste und sank mit dem Eigengewicht von 340 Kilogramm 15 Zentimeter in die weiche mit Methan durchtränkte Masse. Wegen der sehr niedrigen Temperaturen von gemessenen minus 179,4° Celsius konnte der Lander nur 70 Minuten arbeiten. Maximal wären Huygens nach der Landung zwei Stunden verblieben, bis er (von Cassini aus gesehen) durch die Drehung des Titan hinter dem Horizont verschwindet; denn bevor er wieder im Blickfeld von Cassini aufgetaucht war, waren seine Instrumente bereits eingefroren. Jedoch war die Funktion von Huygens nach der Landung nur für ca. 3 Minuten überhaupt garantiert. Er war darauf programmiert, möglichst schnell alle an Bord befindlichen Experimente durchzuführen und an Cassini zu übermitteln, der als Relais-Station zur Kommunikation mit der Erde diente. Um ca. 16:14 Uhr MEZ trafen die ersten Ergebnisse auf der Erde ein, wo 18 große Radioteleskope auf Cassini ausgerichtet waren, damit keine Daten verlorengingen. Da der Empfänger für Kanal A an Bord von Cassini jedoch durch einen Bedienfehler abgeschaltet war, fehlt allerdings jedes zweite Bild.

An Bord von Huygens waren auch Mikrofone installiert, und man konnte Audiosignale (Windgeräusche) von einem außerirdischen Himmelskörper hören: http://www.esa.int/esaCP/SEM85Q71Y3E_index_0.html

[Bearbeiten] Anhang: Cassinis Vorbeiflüge an Saturnmonden

(siehe auch [4])

[Bearbeiten] Literatur

• Jonathan I. Lunine: Cassini – Ankunft am Saturn. Spektrum der Wissenschaft, August 2004, S. 48–55, ISSN 0170-2971
• Rüdiger Vaas: Landung auf Titan. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(4), S. 190–196 (2005), ISSN 0028-1050

[Bearbeiten] Siehe auch

• Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen

[Bearbeiten] Weblinks

• Cassini-Huygens Website bei der NASA (engl.)
• Offizielle Website der ESA zur Mission (engl.)
• FU Berlin Cassini Webseite und Aktuelle Cassini-Aufnahmen (dt.)
• DLR-Seite zu Cassini-Huygens (dt.)
• Flugplan von Cassini (PDF)
• sehr ausführliche mehrteilige Beschreibung der Mission (dt.)
• interaktive Flash-Animation der Cassini-Flugroute bis 2008 (engl.)
• Cassini-Huygens-Seite der Dustgroup (engl.)

Das erste Bild von Titans Oberfläche: [5]; Alle Rohbilder: [6]; Erste Panoramabilder: [7].

Raumsonden in das äußere Sonnensystem

Pioneer 10 (1972) · Pioneer 11 (1973) · Voyager 1 (1977) · Voyager 2 (1977) · Galileo (1989) · Ulysses (1990) · Cassini-Huygens (1997) · New Horizons (2006) · Juno (2011)

Gestrichene Missionen: Jupiter Icy Moons Orbiter

(Siehe auch: Jupiter · Saturn · Uranus · Neptun · Pluto)

 

Raumsonden und Satelliten mit Beteiligung der ESA

COS-B (1975) · GEOS 1 und 2 (1977, 1978) · Meteosat (1977–1997) · IUE (1978) · EXOSAT (1983) · Giotto (1985) · Olympus (1989) · Hipparcos (1989) · Hubble (1990) · Ulysses (1990) · ERS 1 und 2 (1991, 1995) · EURECA (1992) · ISO (1995) · SOHO (1995) · Huygens (1997) · XMM-Newton (1999) · Cluster (2000) · Artemis (2001) · Proba (2001) · Envisat (2002) · MSG 1 und 2 (2002, 2005) · Integral (2002) · Mars Express (2003) · SMART-1 (2003) · Double Star (2003) · Rosetta (2004) · SSETI Express (2005) · CryoSat (2005) · Venus Express (2005) · Galileo (2005–2008) · METOP-A (2006) · COROT (2006) · GOCE (2008) · SMOS (2008) · Herschel (2008) · Planck (2008) · ADM-Aeolus (2008) · HYLAS (2008) · LISA Pathfinder (2009) · CryoSat-2 (2009) · SWARM (2010) · Gaia (2011) · ExoMars (2013) · BepiColombo (2013) · JWST (2013) · LISA (2015) · Darwin (2015) · Solar Orbiter (2015) · Mars Sample Return (frühestens 2016) 

 

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