Rosetta (Sonde)

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Rosetta ist eine Raumsonde der ESA, welche am 2. März 2004 mit einer Ariane 5 G+ gestartet wurde und nun auf dem Weg zum Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko ist. Rosetta, gebaut von EADS Astrium in Friedrichshafen, ist der erste Kometen-Orbiter und wird im Jahr 2014 in eine Umlaufbahn um diesen kleinen Himmelskörper einschwenken und ihn erforschen.

Inhaltsverzeichnis 1 Mission 1.1 Kometenerforschung 1.2 Asteroiden-Fly-bys 2 Instrumente an Bord 3 Herausforderungen und Besonderheiten der Mission 3.1 Energieversorgung 3.2 Störeinflüsse im Orbit um den Kometen 3.3 Orientierung und Navigation in Kometennähe 4 Zeitablauf der Mission 5 Literatur/Quellen 6 Weblinks

[Bearbeiten] Mission

[Bearbeiten] Kometenerforschung

An Bord von Rosetta ist auch der 100 kg schwere Lander Philae, der auf der Oberfläche des Kometen aufsetzen soll. Er wird sich mit etwa 1 m/s dem Kometen nähern und mit Hilfe eines kardanisch (mit zwei Freiheitsgraden) gelagerten dreibeinigen Landegestells und dem zwischen Sonde und Landegestell befindlichem Mechanismus, Bubble genannt, auf dem Kometen aufsetzen, ohne von diesem wegen der niedrigen Schwerkraft wieder abzuprallen. Die Bubble dient mehreren Zwecken. Sie dient als Dämpfungselement für das Aufsetzmanöver bei der Landung, ermöglicht dem Lander, seine Position durch Kippen und Drehen zu verändern und beherbergt die elektrischen Verbindungen zwischen der Sonde und den Sensoren in den Füßen. Das kardanische Element nimmt zusätzliche Dämpfungsfunktionen wahr, indem es die Knickbewegungen im Element abbremst. Die Fixierung am Boden soll durch drei Eisschrauben, je eine an einem Landegestellfuß, und zwei Harpunen gewährleistet werden.

Da die Beschaffenheit des Kometen vor Eintreffen der Sonde nicht bekannt ist, wird Rosetta zunächst seine Oberfläche kartografieren und analysieren, bevor sich Philae von der Sonde löst. So hofft man eine geeignete Landestelle ausmachen zu können, auch wenn im Vorfeld über ihre notwendige Beschaffenheit keine gesicherten Erkenntnisse vorliegen.

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

Auch der nächste Starttermin am 26. Februar 2004 konnte wegen widriger Witterungsbedingungen nicht planmäßig eingehalten werden und musste 20 Minuten und 40 Sekunden vor dem Abheben abgebrochen werden. Er wurde wegen der heftigen Winde in der oberen Atmosphäre um einen Tag verschoben. Am 27. Februar 2004 wurde der Start wegen eines Defekts am Hitzeschutz weiter auf Anfang März verschoben. Mit fünftägiger Verspätung ist Rosetta schließlich am 2. März 2004 vom Weltraumzentrum Kourou in Französisch-Guayana gestartet. Die Trägerrakete vom Typ Ariane 5 G+ hob um 08:17 Uhr MEZ mit der drei Tonnen schweren Sonde an Bord ab.

Der Name Rosetta bezieht sich auf den Stein von Rosetta, mit dessen Hilfe die Entzifferung der ägyptischen Hieroglyphen gelang. Auf dieselbe Weise soll Rosetta dazu verhelfen, das Geheimnis zu lüften, wie unser Universum aussah, bevor die Planeten entstanden. Der Name des Landers Philae bezieht sich auf eine Insel im Nil, auf der ein Obelisk gefunden wurde, der bei der Entzifferung des Steins von Rosetta half.

[Bearbeiten] Asteroiden-Fly-bys

Rosetta soll auf den Wegen durch den Asteroidengürtel die zwei Asteroiden Šteins und Lutetia besuchen. Die endgültige Entscheidung darüber fiel erst nach dem Start am 11. März 2004, da erst dann eine Abschätzung des Treibstoffverbrauchs für die Swing-bys möglich war. Am 5. September 2008 soll Rosetta den nur fünf Kilometer großen Šteins in 1700 km Entfernung passieren. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen beiden Objekten wird mit 9 km/s relativ gering sein. Der 100 km große Asteroid Lutetia soll am 10. Juli 2010 in 3000 km Entfernung mit einer Relativgeschwindigkeit von 15 km/s passiert werden, während der zweiten Passage des Asteroidengürtels.

[Bearbeiten] Instrumente an Bord

An Bord von Rosetta befinden sich elf Instrumente, die den Kometen unter die Lupe nehmen werden:

• Das Ultraviolett-Spektrometer Alice wird nach verschiedenen Edelgasen suchen, deren Verteilung etwas über die Umgebungstemperatur während der Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren aussagt. Dies ist das einzige US-Instrument der Rosetta-Sonde, eine weiterentwickelte Version von Alice findet ebenfalls in der New Horizons Sonde Verwendung.
• Die Kamera Osiris soll den Kometenkern in hoher Auflösung im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich fotografieren. Bereits vor Ankunft beim Zielkometen kann Osiris stark vergrößerte Fotos schießen, um die Planungen für den weiteren Missionsverlauf zu erleichtern.
• Virtis soll mittel bis gering aufgelöste Bilder vom Kometenkern schießen, aus denen sich auf die räumliche Verteilung von gefundenen Elementen schließen lässt.
• Das Instrument Miro soll nach extrem flüchtigen Elementen suchen und ihre Verdampfungsrate messen.
• Rosina besteht aus einem Magnet- und einem Flugzeit-Massenspektrometer, die Ionen und Neutralgasteilchen nachweisen können. Dadurch lässt sich zum Beispiel die Zusammensetzung der kaum vorhandenen Kometenatmosphäre und Wechselwirkungen der Teilchen bestimmen.
• Für die Untersuchung des Kometenstaubs wird Cosima ebenfalls mit einem Massenspektrometer die Häufigkeiten von Elementen, Isotopen und Molekülen bestimmen.
• Das hochauflösende Mikroskop Midas kann die Feinstruktur einzelner Staubteilchen abbilden.

[Bearbeiten] Herausforderungen und Besonderheiten der Mission

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

[Bearbeiten] Energieversorgung

Für die Energieversorgung wurde bei dieser Mission erstmals auf Solarzellen bei einer Mission jenseits der Marsumlaufbahn gesetzt. Da die Strahlungsintensität des Sonnenlichts mit dem Abstandsquadrat abnimmt, sinkt auch die Leistung der Solarzellen in großen Abständen zur Sonne. Um trotzdem eine ausreichende elektrische Leistung für den Betrieb der Sonde zur Verfügung zu stellen, beinhaltet das Missionsprofil einerseits eine „Schlafphase“ bei großen Sonnenabständen, in welcher nur minimale Leistung zur Lebenserhaltung (Funkverkehr, Lagekontrolle, Temperaturhaushalt) benötigt wird. Andererseits wurden sehr große Solarzellen verwendet, um in diesen Abständen ausreichend elektrische Leistung zur Verfügung stellen zu können. Aktiver Betrieb der Sonde wird in diesem Flugabschnitt minimiert.

[Bearbeiten] Störeinflüsse im Orbit um den Kometen

Zur Erforschung des Kometen soll in einen stabilen Orbit um ihn eingeschwenkt werden. Unter anderem muss das Gravitationspotential des Kometen vermessen werden, welches durch Abweichungen aus vorhergesagter und beobachteter Umlaufbahn der Sonde bestimmt wird. Da die Zentralmasse des Kometen relativ gering ist, haben Störkräfte auf die Umlaufbahn einen starken Einfluss. Folgende Störeinflüsse sind bei der Planung der Umlaufbahn zu berücksichtigen:

1. Strahlungsdruck: Der kontinuierliche Photonenstrom der Sonne wechselwirkt mit der Oberfläche der Sonde. Es resultiert eine nach außen (von der Sonne weg) gerichtete Kraft.
2. Sonnenwind: Der kontinuierliche Teilchenstrom der Sonne trifft auf die Sondenoberfläche und überträgt einen Impuls. Es entsteht eine von der Sonne weg gerichtete Kraft.
3. Koma des Kometen: Die Koma des Kometen entsteht durch dessen Ausgasungen. Die Ausgasungen treten über aktiven Flächen des Kometen auf. Der Komet wird erst ab Unterschreitung eines bestimmten Abstands zur Sonne aktiv. Der Teilchenstrom der Ausgasung erzeugt eine Kraft vom Kometen weg. Ebenso kann durch die (stationäre) Teilchenwolke um den Kometen eine Abbremsung der Sonde auftreten.
4. Sonnengravitation: Die Sonne übt als Körper mit der größten Masse des Sonnensystems eine Störkraft auf die Sonde aus.
5. Ellipsoide Form des Kometen: Durch die Abweichung des Kometen von der idealen Kugelform besitzt dessen Gravitationspotential nicht die Form eines Zentralpotentials. Die resultierende Anziehung weicht von der idealen zentralen Anziehung ab.

Bei den ersten drei der oben genannten Störeinflüsse stellt die Oberfläche der Sonde eine wichtige Größe dar, weil über sie die Wechselwirkung erzeugt wird. Das heißt, dass die großen Solarzellen den Einfluss der Störkräfte erhöhen. Dies hat Auswirkungen auf die Stabilität des Sondenorbits. Durch die geringe zentrale Anziehung des Kometen und die großen Störkräfte besteht die Gefahr, dass Letztere die Anziehung übertreffen und überwinden können. Eine erhöhte Anzahl von Korrekturmanövern wäre dann notwendig, wodurch der Treibstoffbedarf steigt.

Die Störung durch das ellipsoide Gravitationspotential des Kometenkerns wird genutzt, um dessen genaue Struktur und Aufbau zu bestimmen. Es wird ein mathematisches Modell entwickelt, mit dessen Hilfe ein Orbit vorausberechnet wird. Danach wird der reale Orbit beobachtet. Aus den Unterschieden zwischen Vorhersage und Beobachtung (Geschwindigkeiten und Beschleunigungen) können die Konstanten des Modells bestimmt und verfeinert werden. So kann das Modell schrittweise immer weiter verfeinert werden. Über die Form des Gravitationspotentials kann dann auf den inneren Aufbau (Form und Dichte) des Kerns geschlossen werden. Für diese Experimente müssen die Störbeschleunigungen der anderen Kräfte möglichst genau bekannt sein, um sie in den Vorhersagen und Beobachtungen berücksichtigen bzw. herausrechnen zu können.

[Bearbeiten] Orientierung und Navigation in Kometennähe

Durch den Abstand zwischen Raumsonde und Erde ist keine Steuerung und Überwachung in Echtzeit möglich. Stattdessen muss die Sonde autonom ihren aktuellen Zustand überwachen können. Ein wichtiges Element ist dabei die Bestimmung der eigenen Position und Lage im Raum. Dies geschieht bei Raumsonden durch sog. Sternensensoren. Diese beobachten Sterne und vergleichen aktuell aufgenommene Sterne mit gespeicherten Daten zu den Sternpositionen, um daraus die eigene Lage zu bestimmen. Beim Eintritt der Sonde in die Koma des Kometen erscheinen auch die Staubpartikel der Koma als helle Objekte vor den Objektiven des Sternensensors. Dabei ist es möglich, dass die Sterne nicht mehr aufgefasst werden können, bzw. dass Staubpartikel falsch interpretiert werden. Es ist also möglich, dass die Sonde kurzzeitig die Orientierung verliert. Das Missionsprofil muss dies berücksichtigen und sichere Phasen (mit einem relativ großen Abstand zum Kern) einbauen, so dass bei evtl. Orientierungsverlust die Sonde wieder die Möglichkeit zur Neuausrichtung erhält.

[Bearbeiten] Zeitablauf der Mission

• Start: 2. März 2004 um 08:17 MEZ
• Erster Erdvorbeiflug (4. März 2005 in 1.900 km Entfernung)
• Rosetta beobachtete am 4. Juli 2005 den Einschlag des Deep Impact Projektils auf dem Kometen Tempel 1
• Marsvorbeiflug (25. Februar 2007 in 250 km Entfernung)
• Zweiter Erdvorbeiflug (November 2007)
• Vorbeiflug am Asteroiden Šteins (September 2008)
• Dritter Erdvorbeiflug (November 2009)
• Vorbeiflug am Asteroiden Lutetia (Juli 2010)
• Deep-space hibernation (Mai 2011 bis Januar 2014)
• Annäherung an den Kometen (Januar bis Mai 2014)
• Kartografierung des Kometen (August 2014)
• Landung auf dem Kometen (November 2014)
• Eskorte des Kometen um die Sonne herum (November 2014 bis Dezember 2015)

Siehe auch: Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen

[Bearbeiten] Literatur/Quellen

• Schiller, Daniel: Orbitsimulation um unsymmetrische rotierende Objekte unter Berücksichtigung verschiedener Störeinflüsse. Universität der Bundeswehr München, Institut für Raumfahrttechnik, Dipl.-Arbeit 2002

[Bearbeiten] Weblinks

• ESA: Rosetta (Englisch)
• ESA Science: Rosetta (Englisch)
• Rosetta
• Rosetta: Hieroglyphen des Planetensystems
• Philae, der erste Kometenlander
• EADS Astrium: Rosetta
• DLR: Rosetta (Englisch)
• Link des Max-Planck-Institus mit Bildern und 3D-Grafiken zum Landegestell