Rosetta (Sonde)


Rosetta (Sonde)
Rosetta (Sonde)


Orbiter Rosetta und Lander Philae

NSSDC ID 2004-006A
Missionsziel Komet 67P/Tschurjumow-Gerasimenko
Auftraggeber ESA
Aufbau
Trägerrakete Ariane 5
Startmasse etwa 3000 kg
Instrumente Elf + Lander
Verlauf der Mission
Startdatum 2. März 2004 um 08:17 MEZ
 
2. März 2004 Start
 
4. März 2005 Erster Erdvorbeiflug
 
25. Februar 2007 Marsvorbeiflug
 
13. November 2007 Zweiter Erdvorbeiflug
 
5. September 2008 Vorbeiflug am Asteroiden Šteins
 
13. November 2009 Dritter Erdvorbeiflug
 
10. Juli 2010 Vorbeiflug am Asteroiden Lutetia
 
8. Juni 2011 Beginn Deep Space Hibernation
 
Januar 2014 Ende Deep Space Hibernation
 
22. Mai 2014 Annäherung an den Kometen 67P (geplant)
 
10. November 2014 Landung auf dem Kometen (geplant)
 
 
Dezember 2015 Ende der Mission

Rosetta ist eine Raumsonde der ESA, die am 2. März 2004 mit einer Ariane 5 G+ gestartet und auf den Weg zum Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko geschickt wurde. 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, nachdem auf dem Flug dorthin in den Jahren 2008 bzw. 2010 die Asteroiden (2867) Šteins und (21) Lutetia passiert wurden.

Inhaltsverzeichnis

Mission

Kometenerforschung

An Bord von Rosetta ist auch der 100 kg schwere Lander Philae. Dieser soll auf dem Kometen aufsetzen und Experimente starten, die Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Kometen zulassen. Die Daten werden der Rosettasonde übermittelt, die den Kometen weiter umkreist, und werden von dort zur Erde gesendet. 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 46P/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 das Sonnensystem während seiner Entstehung beschaffen war. 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. An Bord befindet sich ein Prototyp der sogenannten Rosetta Disk, einer etwa fünf Zentimeter großen Scheibe aus einer Nickellegierung, auf der etwa 15.000 Seiten Text mit Informationen für über 2.500 Sprachen in mikroskopischer Größe eingeätzt sind.

Asteroiden-Fly-bys

Umlaufbahn der Rosetta-Sonde und des Kometen 67P

Die Sonde Rosetta näherte sich auf ihrem Kurs durch den Asteroidengürtel den zwei Asteroiden Šteins und Lutetia. Die endgültige Entscheidung darüber fiel nach dem Start am 11. März 2004, da erst dann eine Abschätzung des Treibstoffverbrauchs für die Swing-bys möglich war.

Šteins-Fly-by

Am 5. September 2008 passierte Rosetta während der ersten Passage des Asteroidengürtels den 4,6 Kilometer[1] großen (2867) Šteins in rund 800 km Entfernung. Der Asteroid konnte aufgrund eines für die ESA erstmals verwendeten optischen Navigationsverfahrens in einem exakt geplanten Abstand passiert werden. Dafür wurden die beiden Navigationskameras und die wissenschaftliche Kamera OSIRIS verwendet, um regelmäßig Bilder vom Asteroiden zu machen. Je näher die Sonde Šteins kam, umso genauer konnte dessen Bahn relativ zur Sonde bestimmt werden. Während die Sonde Giotto im Jahr 1986 einfach auf das Zielobjekt gezielt werden konnte, um möglichst dicht an ihm vorbeizufliegen, hätte bei der Genauigkeit der Navigation während des Šteins-Fly-bys die Gefahr bestanden, mit ihm zu kollidieren.[2]

Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen beiden Objekten war mit 8,6 km/s relativ gering.[3] Für den Vorbeiflug, der erste dieser Art für die ESA, musste die Sonde so gedreht werden, dass die Kommunikationsantenne für 90 Minuten nicht zur Erde zeigte. Um 22:23 Uhr erreichten die ESA erneut die ersten Telemetriedaten von Rosetta, die den Erfolg des Manövers bestätigten.

Die daraufhin veröffentlichten Bilder zeigen einen diamantförmigen Körper mit einer großen Zahl von Impaktkratern, was für ein hohes Alter von Šteins spricht.[4] Während des Vorbeiflugs wurden sowohl Daten mit der optischen Kamera als auch mit dem Spektrometer VIRTIS gesammelt. Deren Auswertung kann dabei helfen, Zusammensetzung und Entstehungsgeschichte von Šteins besser zu verstehen.

Lutetia-Fly-by

Der rund 100 km große Asteroid (21) Lutetia wurde während der zweiten Passage des Asteroidengürtels am 10. Juli 2010 in 3162 km Entfernung mit einer Relativgeschwindigkeit von 15 km/s passiert.[5] Während des Vorbeiflugs befand sich (21) Lutetia 455 Millionen km von der Erde sowie 407 Millionen km von der Sonne entfernt. Ab 18:10 h gab es eine Liveübertragung des Manövers im Kontrollzentrum ESOC der ESA in Darmstadt. Erste Bilder des Vorbeiflugs lagen gegen 23 h vor. (21) Lutetia ist damit der bisher größte Asteroid, der Besuch von einer Weltraummission erhalten hat (Stand: 10. Juli 2010).

Der Asteroid wurde sowohl mit der OSIRIS-Kamera als auch mit dem VIRTIS-Spektrometer untersucht. Zwei Stunden vor der größten Annäherung begann die Kamera mit ihren Aufnahmen. Auch nach der Passage wurden noch Bilder aufgenommen. Erste Auswertungen der Bilder in der Nacht vom 10. auf den 11. Juli 2010 ergaben, dass (21) Lutetia geprägt ist von riesigen Kratern, Graten und Erdrutschen sowie mehrere hundert Meter großen Felsen, was auf eine recht bewegte Geschichte hindeutet.

Neben der Erforschung Lutetias diente der Vorbeiflug auch dem Test der Instrumente von Rosetta sowie dem dreier von zehn Experimenten des Landers Philae. Besondere Vorkehrungen mussten getroffen werden, da Philae während des Vorbeiflugs direkt von der Sonne angestrahlt wurde. Es war die letzte Testmöglichkeit, bevor Rosetta ab dem 8. Juni 2011 in einen etwa zweieinhalbjährigen „Winterschlaf“ (Deep Space Hibernation) geht. Erst im Januar 2014 wird Rosetta wieder aus diesem Ruhezustand erwachen, wenn sie sich auf das Rendezvous mit ihrem eigentlichen Ziel, dem Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko, vorbereitet.

Technische Daten

Die Grundstruktur von Rosetta besteht aus einer Box aus einer Aluminiumlegierung mit 2,8 x 2,1 x 2,0 Metern Größe, wobei die wissenschaftlichen Instrumente (etwa 165 kg insgesamt) auf der Oberseite der Box und die Bus Support Module an der Basis angebracht sind. An der Seite sind eine 2,2 Meter Antenne für die Kommunikation (S-Band und X-Band mit 10 bis 22.000 Bits pro Sekunde), die jeweils fünfteiligen Solarzellenausleger mit 32 Meter Spannweite (32 Quadratmeter Fläche und 850 W Leistung in einer Entfernung von 3,4 AE und 395 W bei 5,25 AE) und der etwa 100 kg schwere Lander angebracht. Das Antriebssystem besteht aus 24 Zweistoff-Triebwerken mit je zehn Newton Leistung für die etwa 1.670 kg Treibstoff an Bord sind.

Instrumente an Bord

An Bord von Rosetta befinden sich elf Instrumente:

  • 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 Sonde New Horizons 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- DFMS und einem Flugzeit-Massenspektrometer RTOF, 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.

Die wissenschaftlichen Daten werden auf einem Solid-state-Speicher mit 25 GBit Kapazität gespeichert. Weitere zehn Instrumente befinden sich an Bord des Landers.

Herausforderungen und Besonderheiten der Mission

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

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 der 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.

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, das 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:[6]

  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.

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. Sternsensoren. 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.

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 (13. November 2007 in 5.295 km Entfernung)
  • Vorbeiflug am Asteroiden (2867) Šteins (5. September 2008)
  • Dritter Erdvorbeiflug (13. November 2009 in 2.481 km Entfernung)
  • Vorbeiflug am Asteroiden (21) Lutetia (Juli 2010)
  • Deep Space Hibernation (8. Juni 2011 bis 20. 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)

Sonstiges

Das Minor Planet Center veröffentlichte in einem Zirkular vom 8. November 2007 die Entdeckung eines Objektes, das sehr nahe an der Erde vorbei fliegen würde und vergab ihm die Katalogbezeichnung 2007VN84. Schnell stellte sich heraus, dass in Wirklichkeit die Raumsonde Rosetta auf ihrem Anflug zum zweiten Swing-by-Manöver an der Erde beobachtet wurde. Ausgerechnet eine Sonde, die dem besseren Verständnis von Asteroiden und Kometen dienen soll, wurde so, wenn auch nur für kurze Zeit, da die Bezeichnung schließlich zurückgezogen wurde, als ein solches Objekt katalogisiert.

Im November 2007 entdeckte das Forscherteam einen Körper, der Rosetta zu folgen schien. Nachdem verlorengegangene Bauteile der Sonde selbst ausgeschlossen werden konnten, wurde ein Objekt der die Erdbahn kreuzenden Apollo-Asteroiden in Erwägung gezogen. Es konnte bis zum Erdvorbeiflug am 13. November 2007 verfolgt werden.[7]

Siehe auch

Weblinks

 Commons: Rosetta (Sonde) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. European Space Agency: Begegnung der anderen Art: Rosetta beobachtet Asteroiden aus nächster Nähe. In: European Space Agency. European Space Agency, 6. September 2008, abgerufen am 31. Juli 2010 (deutsch).
  2. Karl Urban: Rosetta: "Wir sind sehr ambitioniert." In: Raumfahrer.net. Raumfahrer Net e.V., 6. September 2008, abgerufen am 31. Juli 2010 (deutsch).
  3. Rosetta flyby confirmed. In: European Space Agency. 5. September 2008, abgerufen am 31. Juli 2010 (engl.).
  4. European Space Agency: Steins: A diamond in the sky. In: European Space Agency. 6. September 2008, abgerufen am 31. Juli 2010 (engl.).
  5. Kometensonde Rosetta sendet einzigartige Bilder vom Asteroiden Lutetia. Auf: www.dlr.de. (Abgerufen am 31. Juli 2010)
  6. Daniel Schiller: Orbitsimulation um unsymmetrische rotierende Objekte unter Berücksichtigung verschiedener Störeinflüsse. Dipl.-Arbeit. Universität der Bundeswehr, Institut für Raumfahrttechnik, München 2002.
  7. Thorsten Dambeck: Unbekanntes Flugobjekt verfolgt Raumsonde Rosetta. In: Spiegel Online. 15. September 2007, abgerufen am 31. Juli 2010.

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