LISA Pathfinder auf Kurs halten
Allein diese Technologiemission zum Nachweis von Gravitationswellen in ihren anfänglichen Betriebsorbit zu bekommen, war für die ESA eine Herausforderung. Sie dort vor Ort zu halten, erfordert Teamwork, Kaltgas und eine Menge kleiner Schubser.
Am 22. Januar, sieben Wochen nach ihrem Start, erreichte LISA Pathfinder ihren Betriebsorbit um ‘L1’, den ersten Liberationspunkt des Sonne–Erde-Systems – ein virtueller Punkt im Raum, der etwa 1,5 Millionen km von der Erde aus in Richtung Sonne entfernt liegt.
Die Ankunft dort markierte den Beginn dessen, was heute als wissenschaftliche Erkenntnis von außerordentlicher Bedeutung gilt: zu zeigen, welche Technologien erforderlich sind, um ein Observatorium für Gravitationswellen im Weltall zu errichten.
L1 ist für LISA Pathfinder ein idealer Punkt im All, um Schlüsseltechnologien zu testen, die in einer zukünftigen Mission zur Beobachtung von Gravitationswellen eingesetzt werden. sollen. Dabei handelt es sich um Wellen in der Raumzeit, die von Albert Einstein bereits in seiner allgemeinen Relativitätstheorie, 1915, vorhergesagt wurden und die ein Jahrhundert später zum ersten Mal direkt, mit Hilfe der LIGO Detektoren, von der Erde aus entdeckt wurden.
Auf dem Weg zum Lagrange-Punkt L1
Der Start der Mission war erst der Anfang. Danach musste das Bodenkontrollteam beim ESOC, dem Raumflugkontrollzentrum der ESA in Darmstadt, mit den ‘heißen’ Standard-Schubdüsen des Antriebsmoduls eine Serie von sechs anspruchsvollen Manövern zum Anheben des Orbits durchführen. Jeder Schub war sorgfältig geplant, um LISA Pathfinder schrittweise in Richtung L1 zu bringen.
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Ein abschließendes Korrekturmanöver am 22. Januar brachte den Satelliten in seinen Orbit bei L1, genau an der Grenze zwischen den Anziehungskräften der Sonne und Erde. Anschließend wurde das Antriebsmodul abgekoppelt.
Einen Stift auf seiner Spitze balancieren
“Wenn wir nach der Ankunft nichts weiter getan hätten, wäre LISA Pathfinder irgendwann aufgrund der Schwerkraftturbulenzen von L1 ‘heruntergefallen’ – und dann in einer Gravitationssenke zur Erde”, erklärt Ian Harrison, Spacecraft Operations Manager.
“Das bedeutet, dass wir eng mit unseren Flugdynamikexperten zusammenarbeiten mussten, um die Manöver zum ‘Halten der Position’ zu planen und durchzuführen. Dies geschah in einem ein- bis zweiwöchigen Rhythmus, und es wird die gesamte Mission über so weiter gehen.”
Diese sanften aber gleichmäßigen Düsenschübe, unter Einsatz derselben Kaltgas-Mikrodüsen, die auch bei wissenschaftlichen Aufgaben der Mission verwendet werden, hielten LISA Pathfinder in einem sehr empfindlichen Gleichgewicht, genau so als würde man einen Stift auf seiner Spitze balancieren. Im Grunde genommen ist es so, dass das Raumfahrzeug in seinem Orbit ständig ein wenig in Richtung Erde fällt. Diese sehr kleinen Gasstöße (etwa 3 cm/Sekunde Schub) schieben es immer wieder zurück an Ort und Stelle.
“Wie die drei Bären von Goldlöckchen mit ihrem Haferbrei, haben wir dafür zu sorgen, dass wir nicht zu wenig oder zu viel 'Gas geben'. Am Ende müssen wir immer die richtige Dosis finden”, erklärt Ian Harrison.
Eine Mannschaft, eine Mission
Anders als bei konventionellen Observations- oder planetaren Missionen, kann die Nutzlast von LISA Pathfinder nicht als eigenständiges Stück Hardware betrachtet werden, das nur vom Raumfahrzeug transportiert wird. Die Nutzlast und das Raumfahrzeug funktionieren bei wissenschaftlichen Aufgaben als Einheit.
Das hatte zur Folge, dass das Missionsteam für den Betrieb und das Wissenschaftsteam, die traditionell getrennt voneinander arbeiten (ersteres im ESOC und letzteres bei der ESA-Niederlassung ESAC in Spanien), im ESOC im Prinzip permanent sehr eng zusammenarbeiten mussten, um den Flugbetrieb zu durchzuführen, den Einsatz der Nutzlast und die wissenschaftlichen Arbeiten gemeinsam zu planen.
“Die Mission war eine unglaubliche Herausforderung. Aber wir sehen nun die Ergebnisse dieses wundervollen Raumfahrzeugs. Sie sprengen wirklich alle Erwartungen”, erzählt Andreas Rudolph, Leiter der Missionsabteilung für Astronomie und Grundlagenphysik bei der ESOC.
Satellit in Bestform
Wenn das Raumfahrzeug weiterhin so gut funktioniert, dann endet in diesem Monat die erste Phase der wissenschaftlichen Arbeiten mit dem LISA Technologie-Nutzlastpaket, das von Europäischen Instituten und der Industrie bereitgestellt wurde. Die Mission geht dann in die Testphase für das zweite Nutzlastpaket über, dem System zur Minderung von Störungen der NASA/JPL.
Dieses setzt Testmassen und Sensoren der ESA Nutzlast ein, jedoch mit eigenen Kolloid-Mikrodüsen und einem eigenen Avionik-Steuersystem. Bei den Kolloid-Düsen werden für den Antrieb Flüssigkeitströpfchen elektrisch geladen und über ein elektrisches Feld beschleunigt. Die wissenschaftlichen Arbeiten mit der Nutzlast der NASA werden bis Ende Oktober andauern.
Das kombinierte System aus Raumfahrzeug und Nutzlast hat in puncto Zuverlässigkeit und Leistungsstärke bereits alle Erwartungen übertroffen. Und die Leistung wird sich im weiteren Missionsverlauf auf jeden Fall noch steigern.
