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» Aktuelles zu Cassini-Huygens «
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| Raumsonde Cassini, © JPL/NASA |
Die US-Europäische Raumsonde Cassini befindet sich z.Z. in der Nähe des grössten Planeten des Sonnensystems. Die kleinste Distanz zu Jupiter wird am 30. Dezember 2000 erreicht, doch bereits seit Oktober 2000 haben die wissenschaftlichen Instrumente an Bord von Cassini den Planeten im Visier. Während eines ausführlichen Tests der Kommunikation zwischen dem von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gebauten Titan-Lander Huygens und Cassini wurde ein Problem entdeckt. Trotzdem ist die Cassini-Mission zu Saturn die z.Z. vielleicht bedeutendste, sicher aber die aufwendigste Mission zu den Planeten unseres Sonnensystems.
Die gesamte Mission besteht aus zwei Teilen. Zum einem aus dem Saturn-Satelliten Cassini, der hauptsächlich von der NASA gebaut wurde, und dem Europäischen Lander Huygens. Der Lander wird jedoch nicht auf Saturn selbst landen, sondern auf dem Mond Titan. Während der lange Reise zu Saturn ist der Lander inaktiv auf Cassini montiert. Die unbemannte Cassini-Raumsonde ist sehr gross. Sie wiegt mehr als 2 Tonnen und ist 6 Meter hoch und 4 Meter breit. Huygens ist mit 2.7 Meter im Durchmesser deutlich kleiner und wiegt nur 319 kg.
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| Bahn der Raumsonde Cassini im Sonnensystem (vergrössern mit Legende), © R. Brodbeck |
Cassini ist mit zwei Tonnen doppelt so schwer wie Ihre Vorgänger Voyager 1 und 2 bei Saturn. Die zur Verfügung stehende Startrakete Titan/Centaur war jedoch 20 Jahre später mehr oder weniger dieselbe. Die Kapazität der Titan/Centaur reichte nicht aus, um wie bei Voyager direkt via Jupiter zu Saturn zu fliegen. Eine stärkere Rakete stand nicht zur Verfügung. Jedoch konnte man Cassini mit der Titan/Centaur-Rakete zur Venus schiessen.
Dies öffnete nun die Chance, das zu tun, was eigentlich auf den ersten Blick gar nicht geht, nämlich mit einer zu schwachen Startrakete zu Saturn zu fliegen. Die Schwerkraftfelder der Planeten versetzen einer anfliegenden Raumsonde einen Stoss, etwa so, wie ein Tennisschläger die Geschwindigkeit und den Kurs des Tennisballs ändert. Im planetaren Massstab geschieht dieser Stoss im Laufe der Stunden des Vorbeifluges am Planeten und nicht innerhalb von Bruchteilen von Sekunden wie beim Tennis. Trotzdem sind die beiden Prozesse von der Physik her verwandt.
Man kann also beim Vorbeiflug an einem Planeten Geschwindigkeit und Richtung der Raumsonde in gewissen Grenzen ändern. Nach dem Start am 15. Oktober 1997 konnte sie mit zwei Vorbeiflügen an der Venus am 26. April 1998 und am 24. Juni 1999 und einem Vorbeiflug an der Erde am 18. August 1999 auf Kurs Richtung Jupiter gebracht werden.
1999 war das Jahr der Weltuntergangs-Propheten. Damals gab es die totale Sonnenfinsternis, die quer über Europa lief, dann das bevorstehende Jahr 2000 und die wieder zur Erde zurückkehrende Sonde Cassini mit 33 Kilogramm Plutoniumdioxid an Bord. Cassini sollte nur ein paar Tage nach der totalen Sonnenfinsternis an der Erde vorbeifliegen. War die Sonnenfinsternis das Vorzeichen der globalen Verseuchung durch Cassinis Plutonium? Die Wärme des radioaktiven Plutoniums dient der Sonde als Energiequelle im äusseren Sonnensystem, wo Solarzellen mangels Sonnenlicht keine brauchbaren Mengen an Energie mehr produzieren können. Dieses Plutonium ist so eingepackt, dass der Behälter bei einem Fehlstart der Startrakete unbeschadet überstehen konnte, doch würden bei der Rückkehr im August 1999 bei einer Frontalkollision mit der Erde bedeutend grössere Kräfte frei, so dass in diesem Falle möglicherweise Plutonium in den oberen Schichten der Erdatmosphäre frei gesetzt worden wäre. Plutonium ist eine sehr problematische Substanz, die grösste Sorgfalt und Vorsicht beim Umgang erfordert. Jedoch wer von 33 Kilogramm gleich den Weltuntergang erwartete, überschätzte die "Macht" dieses radioaktiven Metalls. Schliesslich gelangte Cassini am 18. August 1999 planmässig auf Kurs Richtung Jupiter. Am Ende der Seite findet man Links zu Pro und Kontra.
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| Jupiter, von Cassini fotografiert, © JPL/Photojournal, PIA02821 |
Am 30. Dezember 2000 wird Cassini in der eher weiten Distanz von knapp 10 Millionen Kilometer - entsprechend 26x mehr als die Distanz Erde-Mond - an Jupiter vorbei fliegen. Von Oktober 2000 bis März 2001 wird Cassini deshalb seine Instrumente auf den Gasriesen Jupiter ausrichten. Der künstliche Jupitersatellit Galileo umkreist den Jupiter seit 1995 und ist nach wie vor aktiv. Dies bietet den Planetenforschern die Gelegenheit, erstmals mit zwei unabhängig voneinander gebauten Sonden, einen Gasriesen gleichzeitig zu erforschen. Es geht dabei nicht um eine Konkurrenz zwischen verschiedenen Systemen, sondern darum, dass sich die Messungen gegenseitig ergänzen um so besser Zusammenhänge zu erkennen. Dies soll an zwei Beispielen verdeutlicht werden:
Der den Jupiter in relativ zu Cassini in geringem Abstand umkreisende Galileo-Orbiter kann Bilder des Planeten aufnehmen, die nur einen kleinen Ausschnitt zeigen, dies aber mit sehr vielen Details. Die von weiter entfernt aufgenommenen Bilder sind nicht so detailliert, zeigen aber einen grösseren Ausschnitt oder den ganzen Planeten. Somit helfen die von Cassini gemachten Bilder, diejenigen von Galileo besser zu verstehen, wenn man weiss, was an anderen Orten auf Jupiter zur selben Zeit geschieht.
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| Jupiter mit Mond (links) und einem Schatten eines Mondes (schwarzer Punkt auf Jupiter), von Cassini fotografiert, © JPL/Photojournal, PIA02972 |
Jupiter besitzt ein starkes Magnetfeld. Der als Sonnenwind bekannte Strom geladener Teilchen, der von der Sonne herkommend das ganze Planetensystem durchströmt, trifft auch auf die Magnetfelder des Jupiters. Geladene Teilchen können nicht ohne weiteres in ein Magnetfeld eindringen. Deshalb kommt es zu komplizierten Wechselwirkungen zwischen dem Magnetfeld und dem Sonnenwind. Cassini hält sich soweit von Jupiter entfernt auf, dass dort der Sonnenwind noch nicht von Jupiters Magnetfeld beeinflusst wird, während sich Galileo innerhalb des Magnetfeldes aufhält. Man versteht die von Galileo gemachten Messungen – Mangnetfeldstärke und Teilchendichte – besser, wenn man weiss, wie stark der Sonnenwind bei Jupiter bläst gerade bevor er das Magnetfeld erreicht.
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| Künsterlische Darstellung von Cassini vor Titan. Cassini hat soeben den Titan-Lander Huygens (schüsselfömig, links) abgeworfen, © JPL/NASA |
Bisher verlief der Flug von Cassini sehr erfolgreich, bis auf einen Test, der leider den europäischen Teil des Unternehmens betrifft. Doch hat man noch vier Jahre Zeit, um das Problem in den Griff zu kriegen.
Es geht um die Funkverbindung zwischen dem Titan-Lander Huygens und Cassini während dem Abstieg des Landers auf den kalten, wolkenverhangenen Saturnmond Titan. Die europäische Sonde Huygens wird drei Wochen vor der Ankunft bei Titan von Cassini getrennt. Nach der Trennung wird Cassini seinen Kurs etwas korrigieren, so dass er ein paar Stunden nach der Ankunft von Huygens knapp an Titan vorbeifliegt. Während der etwa 2.5 Stunden bis höchstens 3 Stunden dauernden Mission von Huygens wird sich der die Signale der Sonde aufzeichnende Cassini mit 5.6 Kilometer pro Sekunde (20'000 Kilometer pro Stunde) auf Titan und damit auch auf den landenden Huygens zu bewegen (nach den im November 2000 noch gültigen Plänen).
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| Künsterlische Darstellung von Huygens auf dem Saturnmond Titan. Cassini hat soeben den Titan-Lander Huygens (schüsselfömig, links) abgeworfen, © JPL/NASA |
Wir kennen alle den folgenden Effekt aus dem Alltag. Wenn man am Strassenrand steht, klingt ein auf einem zukommendes Fahrzeug höher als wenn es sich von einem weg bewegt. Dieser Effekt der Schallwellen wird nach dem Entdecker Christian Doppler Doppler-Effekt genannt. Er gilt auch für Radiowellen. Cassini wird bei seiner Annäherung Huygens mit einer leicht höheren "Stimme" (Sendefrequenz) "hören" (empfangen) als es beim Bodentest der Fall war. Diese Verschiebung der Frequenz beträgt nur 0.002%. Damit jedoch die schwachen Signale von Huygens nicht im allgemeinen Rauschen untergehen, sendet er nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich auf den der Empfänger genau justiert ist. Bereits die geringe, durch den Doppler-Effekt verursachte Verschiebung reicht, dass Huygens nicht mehr optimal von Cassini empfangen werden kann, etwa so, als würde Huygens 10 db schwächer senden (Quelle: ESA).
Dies würde zu einer schmerzlichen Reduktion der übertragbaren Datenmenge führen. Insbesondere könnten weniger Bilder vom Abstieg der Cassini-Sonde übertragen werden. Wenn es nicht doch noch eine rein elektronische Lösung gibt, bleibt nur die physikalische Lösung, nämlich den Doppler-Effekt zu vermeiden. Also dürfte Cassini nicht direkt auf Titan zufliegen, wenn Huygens landet. Dies stösst aber an Grenzen. Einerseits braucht eine zu starke Kurskorrektur nach der Trennung mehr Treibstoff, der für die Jahre dauernde Erforschung des Saturns noch gebraucht wird. Ausserdem darf sich Cassini bei der Landung nicht weiter als geplant von Titan entfernt aufhalten. Die Signalstärke nimmt mit dem Abstand ab; doppelte Distanz zwischen Sender und Empfänger bedeutet 4x weniger Signalstärke. Noch bleiben den Experten dreieinhalb Jahre, um sich die beste Lösung auszudenken.
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Raumsonde Voyager 2 beobachtete 1981 Phoebe. Oben Originalbilder unten nachbearbeitete Bilder. © JPL/Photojournal, PIA02260 |
Obwohl wegen dem eben beschriebenen Problem mit der Kommunikation mit Huygens der Missionsplan vermutlich in ein paar Details noch geändert werden wird, wollen wir einen Blick darauf werfen, was für Aufgaben auf Cassini warten.
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| Die Signallaufzeiten Cassini - Erde, Graphik: R. Brodbeck |
Offizieller Beginn der Saturnbeobachtungen durch Cassini wird bereits in gut 3 Jahren sein, nämlich am 1.1.2004. In den ersten paar Monaten der Saturnbeobachungen wird nicht viel wirklich Sensationelles erwartet. Zum ersten mal spannend wird es im Juni 2004, 19 Tage bevor Cassini in eine Umlaufbahn um Saturn einschwenkt. Für diesen Zeitpunkt ist eine Begegnung mit Phoebe - dem äussersten bekannten Mond von Saturn – geplant. Von diesem Mond wissen wir noch sehr wenig. Seine für die Monde von Saturn ungewöhnliche Bahn könnte darauf hindeuten, dass er eigentlich nicht zu Saturn gehört, sondern ein eingefangener Planetoid ist. Cassini wird nur eine Chance haben, Phoebe zu beobachten, denn seine Umlaufbahn wird ihn nie mehr weit genug von Saturn entfernen.
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| Cassini beim Bremsmanöver, um in eine Umlaufbahn um den Ringplaneten einzuschwenken. © JPL/NASA |
Das wesentlich über Erfolg und Misserfolg entscheidende Ereignis wird die Einbremsung in die Umlaufbahn um den Ringplaneten am 1. Juli 2004 sein. Dieses Manöver muss die Sonde vollkommen auf sich allein gestellt durchführen, denn Funksignale brauchen anderthalb Stunden von Saturn zur Erde. Eine direkte Fernsteuerung ist deshalb nicht möglich. Dieses Einbremsen wird die Geschwindigkeit um 2160 km/h reduzieren. Gelingt die Bremsung, so wird Cassini in eine Bahn um Saturn einschwenken, die eine Umlaufzeit von 5 Monaten haben wird. Bei späteren nahen Vorbeiflügen an Titan wird mit Hilfe seiner Schwerkraft die Umlaufbahn von Cassini immer wieder geändert, um Saturn und seine Monde optimal erforschen zu können.
Im Moment würde die Landung von Huygens noch für den ersten von insgesamt 33 Vorbeiflügen am grossen Mond Titan erfolgen, nämlich im November 2004, also in genau 4 Jahren. Wesentlich sind dabei die Messungen, die beim Absinken an Fallschirmen gemacht werden. Sobald Huygens die untere Wolkenschicht durchstossen hat, soll er auch das Panorama fotografieren. An der Oberfläche selbst wird Huygens nur wenige Minuten messen. Die gesamte Messzeit wird etwa zweieinhalb Stunden betragen.
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| Cassini erforscht den Saturnmond Titan mit einem Radar. Gemälde, © JPL/NASA |
Alle Daten werden von Cassini empfangen und aufgezeichnet und erst nach Beendigung der Mission von Huygens zur Erde gefunkt. Somit läuft die ganze Landung vollautomatisch. Wenn wir auf der Erde die ersten Daten empfangen, wird Huygens bereits inaktiv auf der kalten Oberfläche von Titan liegen oder auf einem seiner Seen aus flüssigem Methen und Ethan treiben.
Cassini wird noch viele Jahre im Saturnsystem seine Bahnen ziehen und dabei immer wieder den grösseren Monden begegnen. Bei den Begegnungen mit dem wolkenverhangenen Titan wird dessen Oberfläche mit einem Radar abgetastet um so nach und nach die Oberfläche von Titan zu kartieren. Weiter werden auch die anderen Monde fotografiert und erforscht. Auch Saturn selbst, seine Wolken, Ringe und Magnetfelder werden von Cassini intensiv untersucht werden.
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