Dem Merkur entgegen

Mit BepiColombo wagt sich die Europäische Raumfahrtagentur ESA an ihre anspruchsvollste interplanetare Mission. Denn der Merkur ist ein extremer Geselle. Nur 58 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt (bei der Erde sind es rund 150 Millionen Kilometer), ist er deren Unbilden stark ausgesetzt. Tagsüber werden auf seiner Oberfläche bis zu 430 Grad Celsius und nachts bis zu minus 173 Grad Celsius erreicht. Er hat nur eine Umlaufzeit von 88 Tagen um die Sonne und eine stark exzentrische Umlaufbahn. Während zweier Sonnenumläufe dreht er sich nur dreimal um seine Achse, so dass die Zeit zwischen zwei Sonnenaufgängen an jedem beliebigen Punkt knapp 176 Tage beträgt. Mit 4878 Kilometern Durchmesser ist der Merkur wesentlich kleiner als unser Heimatplanet (12.742 Kilometer) und damit auch der kleinste in unserem Sonnensystem. Die hohen Temperaturen und die geringe Anziehungskraft führen dazu, dass er keine Atmosphäre hat. Aufgrund der Sonnennähe kann er von der Erde aus nur schwer beobachtet werden.

Merkur hatte selten Besuch

Die unwirtlichen Bedingungen und die sonnennahe Umlaufbahn sind auch der Grund dafür, dass der Merkur bisher nur zweimal Besuch von irdischen Raumsonden hatte, nämlich den beiden US-Raumflugkörpern Mariner 10 und Messenger. Er ist deshalb auch einer der am wenigsten erforschten Planeten unseres Sonnensystems. Mariner 10 wurde am 3. November 1973 gestartet und passierte den Merkur erstmals am 16. März 1974. Es folgten zwei weitere Passagen 1974 und 1975. Insgesamt lieferte die Sonde 4.165 Bilder und erfasste damit 45 Prozent der Oberfläche. Messenger (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging) wurde am 18. März 2011 in eine Umlaufbahn um den Planeten gebracht und beendete die Mission am 30. April 2015, als sie nach dem Verbrauch des letzten Treibstoffes auf der Merkuroberfläche aufschlug. Eine Vielzahl von Kameras und Instrumenten untersuchte die geochemische Zusammensetzung, die geologische Geschichte des Merkurs, den Planetenkern sowie die Polkappen. Es gelang die vollständige Kartierung der Oberfläche.

Für den Erfolg der beiden Missionen waren komplizierte Bahnmanöver nötig. Erstmals in der Geschichte der Raumfahrt vollführte Mariner 10 ein Swingby-Manöver an der Venus. Bei einem solchen Manöver wird das Gravitationsfeld eines Planeten genutzt, um einem wesentlich kleineren Raumflugkörper eine Richtungsänderung, eine Beschleunigung oder eine Abbremsung mitzugeben. Damit Sonden in die Nähe des Merkurs gelangen, muss man deren Fluggeschwindigkeit nach dem Start mit solchen Manövern um etwa 60 Prozent verringern. Die erste derartige Flugbahn wurde von dem italienischen Ingenieur und Mathematiker Giuseppe „Bepi“ Colombo für Mariner 10 vorgeschlagen, der auch wesentlich an der Planung der amerikanischen Mission beteiligt war.

Neun Swingby-Manöver

Zu seinen Ehren erhielt die von der ESA und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) entwickelte Merkursonde den Namen BepiColombo, wobei die ESA bei dem Unternehmen die Federführung hat. Das 1,3 Milliarden Euro teure Gerät soll im Oktober 2018 mit einer Ariane 5 ECA von Kourou aus gestartet werden. Nach ca. eineinhalb Jahren erfolgt ein Swingby-Manöver an der Erde. Diesem werden neben der Abbremsung durch die elektrischen Triebwerke der Sonde acht Swingby-Manöver (zwei an der Venus und sechs am Merkur) folgen. 2025 hat BepiColombo schließlich genügend Schwung verloren, um die beiden Orbiter von einer Transferstufe abzutrennen, die dann ihren jeweils eigenen Orbit um den Merkur erreichen. Nach einer finalen Überprüfung aller Instrumente und Systeme kann dann die eigentliche Arbeit beginnen, die für ein Erdenjahr geplant ist, mit der Option auf ein weiteres Forschungsjahr.

Damit werden erstmals zwei Raumsonden gleichzeitig den Merkur und seine Umgebung erforschen. Die wissenschaftliche Zielstellung ist entsprechend komplex, denn es geht um eine Reihe spannender Fragen. Kameras sollen die Oberfläche genauer als bisher kartographieren, ein hochgenaues Laseraltimeter liefert ergänzende Höheninformationen und aus der Auswertung der Daten aller wissenschaftlichen Instrumente erhoffen sich die Forscher Antworten auf die geologische und chemische Zusammensetzung, den Aufbau des Planeten (Ist der Kern flüssig oder fest?) und vor allem auf die Eigenschaften des Magnetfeldes und seine Interaktion mit dem Sonnenwind. Die Daten sollen auch mehr Licht in die Entstehung und Entwicklung der inneren Planeten einschließlich der Erde bringen. Und man mag es kaum glauben, Messenger konnte in dauerhaft beschatteten Kratern der Polarregionen Schwefel und gar Wassereis nachweisen. Gelingt es BepiColombo, diese Messungen an solch exotischen Orten zu bestätigen?

Ein besonders spannendes Thema ist der Nachweis von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Durch die gravitative Störung der anderen Planeten auf das Zweikörpersystem Sonne-Merkur führt die große Bahnachse der Merkurbahn eine Drehung in der Bahnebene aus, und zwar um 5,74 Bogensekunden pro Jahr. Mit der klassischen Newtonschen Mechanik lässt sich dieser Wert aber nicht erklären. Erst die Einbeziehung der in der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Raum-Zeit-Krümmung lieferte eine mit dem gemessenen Wert gute Übereinstimmung. BepiColombo soll nun die Bewegung des Merkurs mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen und damit einen Beitrag zur Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie leisten.

Der Flug in einen Backofen

BepiColombo ist eigentlich ein Gerätetrio, bestehend aus der Transferstufe MTM (Mercury Transport Module), der europäischen Sonde MPO (Mercury Planetary Orbiter) und dem japanischen Orbiter MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter). Die beiden Orbiter sind während des Hinfluges auf dem MTM montiert (oben der MMO). Das gesamte Gerät wiegt über 4100 Kilogramm beim Start. Die größte Herausforderung bei der Konstruktion der Sonde war die intensive Wärmeeinstrahlung von der Sonne und des Merkur, der die eingefangene Sonnenwärme wieder als Infrarotstrahlung abgibt. Aus diesen Quellen bekommt vor allem der europäische Orbiter etwa 20 Kilowatt pro Quadratmeter ab. Das ist, als würde man das Gerät in einen Backofen stecken. BepiColombo hat daher einen Hitzeschild (MOSIF – MMO Sunshield and Interface Structure), der den MMO während der Anflugphase schützt und ihn mit dem MPO verbindet. In der Merkurumlaufbahn besteht keine Gefahr der Überhitzung, da MMO dort um seine Längsachse rotiert. Der MPO ist durch einen mehrlagigen Schild aus verschiedenen Materialien geschützt. Die trotzdem noch eindringende Wärme wird über einen Radiator aus dem Innern der Sonde abgeführt.

Die zentrale Antriebseinheit ist während des Anflugs die Transferstufe MTM. Sie besitzt zwei Antriebssysteme, ein chemisches und vier elektrische Ionentriebwerke. Das chemische System ist für schnelle Bahnänderungen verantwortlich, während die Ionenantriebe für das Abbremsen der Gerätekombination in Richtung Merkurbahn zuständig sind. Zur Stromversorgung werden Solarzellenpaneele, die am MTM und am MPO montiert sind, eingesetzt.

16 Instrumente liefern Daten

Der MPO bewegt sich auf einer polaren Umlaufbahn mit 480 mal 1500 Kilometern. An Bord befinden sich 11 Kameras und Instrumente (siehe Kasten). An vier Instrumenten sind auch Forschungseinrichtungen Deutschlands, wie das DLR, das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung oder die Universitäten Braunschweig und Münster beteiligt. Und Airbus Defense and Space in Immenstaad am Bodensee ist verantwortlich für die Konstruktion und den Bau von MTM und MPO.

Wie der Name schon verrät, wird der japanische MMO das Magnetfeld des Planeten und seine Wechselwirkungen mit der Umgebung untersuchen. Die Sonde ist kleiner als der MPO und hat fünf Instrumente an Bord (siehe unten). Ihre polare Bahn soll bei 590 mal 11.640 Kilometern liegen.

 

Geplant ist, 1550 Gigabit Daten im ersten Missionsjahr vom MPO zur Erde zu übertragen. Primäre Empfangsstation wird die 35 Meter-Antenne der ESA bei Cebreros (Spanien) sein. Die Daten des MMO werden von einer japanischen Bodenstation empfangen.

Bei der Planung und Realisierung des Projektes waren viele unvorhergesehene technische Lösungen zu finden, was zu einer jahrelangen Verzögerung führte. Nun werden die letzten Tests und Vorbereitungen getroffen. Übrigens: Am Gelingen der Mission sind 83 Firmen aus 16 Ländern beteiligt, ein wahrhaft gigantisches Unternehmen.

Wissenschaftliche Instrumente der Orbiter

MPO Instrumente

Laseraltimeter	BELA (BepiColombo Laser Altimeter)
Beschleunigungsmesser	ISA (Italian Spring Accelerometer)
Magnetometer	MERMAG (Mercury Magnetometer)
Infrarotspektrometer	MERTIS-TIS (Mercury Thermal Infrared Spectrometer)
Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer	MGNS (Mercury Gamma ray and Neutron Spectrometer)
Röntgenspektrometer	MIXS (Mercury Imaging X-ray Spectrometer)
Radio Science	MORE (Mercury Orbiter Radio science Experiment)
Ultraviolettspektrometer	PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy)
Analysator für geladene und neutrale Partikel	SERENA (Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances)
Stereokamera und optisches Nahinfrarot-Spektrometer	SIMBIO-SYS (Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System)
Solares Röntgenspektrometer	SIXS (Solar Intensity X-ray Spectrometer)

 

 

 

Magnetometer	MERMAG-M/MGF (Mercury Magnetometer)
Plasmapartikel-Experiment	MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment)
Plasmawellen-Experiment	PWI (Plasma Wave Instrument)
Natriumatmosphären-Instrument	SASI (Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager)
Staub-Analysator	MDM (Mercury Dust Monitor)

Der Originalartikel erschien in der Printausgabe der Flugrevue 12/2017.

Artikel zu BepiColombo

1.) Dem Merkur entgegen

2.) Der weiße Satellit: Testmodell der BepiColombo Mission ist im ESOC eingetroffen