Smart-1 mit neuen Techniken zur Erkundung des Erdtrabanten.

Zusammen mit zwei rein kommerziellen Satelliten wurde in der Nacht vom 27. auf den 28. September 2003 vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana der europäische Kleinsatellit Smart-1 (Small Missions for Advanced Research and Technology) mit einer Ariane-5 gestartet.

Von Fred Richter

Smart-1 ist die erste im Rahmen des wissenschaftlichen Langzeitplans "Horizon 2000" der ESA geplanten Smart-Missionen (Kleinmissionen für Spitzenforschung und Spitzentechnologie). Die Mission dient in erster Linie der Flugerprobung des solarelektrischen Hauptantriebes auf einer Reise zum Mond, als Beitrag zur Entwicklung grundlegend neuer und wichtiger Technologien für spätere Satelliten gleicher und ähnlicher Art, so auch der nach dem italienischen Wissenschaftler Bepi Colombo benannten Mission der ESA zum Merkur.

Spezialisierte Kleinsatelliten, mit denen in den Bereichen Wissenschaft, Erderkundung und Klimaforschung kostengünstige Missionen durchgeführt werden können, sind angesichts der schrumpfenden Budgets mehr denn je gefragt. Als "Zuladung" auf einer Trägerrakete reduziert Smart-1 die Kosten um ein Fünftel der bisherigen Missionen. Das Gewicht der Sonde beträgt 350 kg. Es handelt sich hierbei um eine Box mit sechs gefalteten Solarauslegern bestückt, die sich später im Orbit entfalten.

Smart-1 macht so quasi einen Probelauf. Mit dieser Mission schlägt man zwei Fliegen mit einer Klappe: Hier sollen auch andere Technologien für Raumfahrzeuge und Instrumente getestet werden. Neben der Erprobung des solarelektrischen Antriebs für die gesamte Reise von der Erde zum Mond sollen die Instrumente durch Beobachtungen unseres Planeten und verschiedener Himmelskörper überprüft werden. Hierfür haben europäische Wissenschaftler die Sonde u.a. mit hochmoderner Sensorik ausgestattet. Zum anderen soll die Mission aber auch offene wissenschaftliche Fragen beantworten helfen, zum Beispiel in Bezug auf die Entstehung des Mondes, seine genaue mineralogische Zusammensetzung und das Vorhandensein von Wasser - und wenn vorhanden, in welchen Mengen. Diese Daten werden das Verständnis der Wissenschaft über das Erde-Mond-System und über erdähnliche Planeten erweitern und ausserdem unschätzbare Informationen im Hinblick auf eine langfristige menschliche Präsenz auf dem Mond liefern.

Der innovative Ionenantrieb

Smart-1 wird erstmals den Schub eines solarelektrischen Antriebssystems - welches Europa noch nie als Hauptantriebssystem eingesetzt hat - mit dem Schwerefeld des Mondes kombinieren. Das Funktionsprinzip jedes Antriebs im Weltraum besteht darin, Moleküle zu beschleunigen und sie mit hoher Geschwindigkeit auszustossen. Herkömmliche Triebwerke nutzen eine chemische Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoffträger, um ein Gas aufzuheizen und seine Moleküle auf eine Geschwindigkeit von 1 km/sec zu beschleunigen. Bei elektrischen Antriebssystemen werden zunächst die Moleküle eines Arbeitsgases ionisiert, d.h. elektrisch aufgeladen, worauf das ionisierte Gas durch elektrische Felder beschleunigt und mit einer Geschwindigkeit von rund 10 m/sec ausgestossen wird. Ionentriebwerke erzeugen einen vergleichsweise bescheidenen Schub, funktionieren jedoch mehrere Jahre, während die mit chemischem Treibstoff arbeitenden Triebwerke nach wenigen Minuten ausgedient haben.

Ionentriebwerke sind in mehrfacher Hinsicht von grossem Vorteil. Sie benötigen erheblich weniger Treibstoff als chemische Antriebsstoffe, was bedeutet, dass beim Start mehr Masse für wissenschaftliche Instrumente und Nutzlasten zur Verfügung steht. Diese Triebwerke machen den Weg frei für Missionen in die Tiefen des Alls. Dadurch, dass sie jahrelang funktionieren, verkürzen sie trotz ihrer geringen Schubkraft die Zeit für interplanetare Flüge um ein Vielfaches. Darüber hinaus ermöglicht der sanfte Schub elektrischer Antriebssysteme eine sehr präzise Lageregelung, was bei wissenschaftlichen Missionen, die eine hochgenaue und unbeeinträchtigte Ausrichtung von Raumfahrzeugen erfordern, sehr wichtig ist. Einige Techniker sind sogar der Meinung, dass diese Antriebe in Zukunft auch die Raketen weitgehend ablösen werden. Das ist derzeit jedoch nur Theorie.

Ein Ionentriebwerk arbeitet wie folgt: Elektronen, die in eine Entladungskammer geleitet werden, stossen an Xenon-Atome und ionisieren sie. Das Xenon-Gas wird der Kammer über eine Gasleitung zugefügt, stromführende Spulen welche innerhalb und ausserhalb der Entladungskammer angeordnet sind, halten ein magnetisches Feld aufrecht, welches die Richtung wie Speichen eines Rades hat. Durch den Hall-Effekt bewegen sich die Elektronen im magnetischen Feld in entgegengesetzte Richtung und erzeugen ein elektrisches Feld, welches die Xenon-Ionen beschleunigt und den Antriebstrahl erzeugt.

Zusätzlich an einer anderen Stelle erzeugte Elektronen neutralisieren das Xenon ausserhalb des Antriebes und verwandeln es in ein gespenstisch anmutendes blaues Gas. Xenon ist ein chemisch inaktives Element aus der Gruppe der Edelgase mit Atomen, die 131mal so schwer sind als die des Wasserstoffs.

Wo sich Gravitation von Erde und Mond aufheben

Die Solarausleger der Sonde produzieren 1'350 Watt, von dem das Ionentriebwerk 0,07 Newton generiert. Das entspricht etwa dem Gewicht einer Postkarte. Mit einer Beschleunigung von 0,2 Milimeter pro Sekunde könnte Smart-1 theoretisch unser Sonnensystem verlassen. Bei dieser Mission aber wird die Sonde 16 Monate lang gegen die Anziehungskraft der Erde ankämpfen. Dabei ist es möglich, dass sie durch Partikel aus dem Strahlungsgürtel, der die Erde umgibt, beschädigt wird. Die Elektronik und die Instrumente werden derart hergerichtet, dass sie einen Partikelschauer überstehen können. Die Sonde wird 400'000 km zwischen Erde und Mond nicht auf direktem Wege zurücklegen sondern aus der elliptischen Erdumlaufbahn, auf die sie die Ariane 5 bringt, schrittweise in eine spiralförmige Bahr übergehen und sich zum Mond. "emporschrauben". Das europäische Kontrollzentrum in Darmstadt wird Smart-1 zwei Tage in der Woche zunächst mit wiederholten Zündungen des Ionentriebwerkes aus der elliptischen Bahn in einen Zirkel und schlussendlich in eine spiralförmige Bahn bringen.

Im Dezember 2004 wird dann das Schwerefeld des Mondes die Sonde erfassen, um sie auf eine Umlaufbahn zu lenken. Die Missionskontrolle musste ebenfalls neue Wege beschreiten. In einer Entfernung von 200'000 km hat sich der solarelektrische Antrieb mit Manövern unter Schwerelosigkeit zu bewähren. Dazu mussten die ESA-Spezialisten neue mathematische Berechnungen erstellen, von denen auch Isaak Newton nichts wusste. Eine kritische Situation ergibt sich auch, wenn die Sonde durch die "unsichtbare Tür" des Lagrange Punktes No. 1 muss, wo sich die Gravitation von Erde und Mond aufhebt.

Smart-1 wird nicht auf dem Mond landen sondern ihre Beobachtungen von der Umlaufbahn aus anstellen, um so ein Gesamtbild zu gewinnen. Sie soll mindestens sechs Monate, möglicherweise ein ganzes Jahr lang, Messungen durchführen.

Wasser, Minerale - und ein stürmischer Ursprung

Wird der Mond zum ultimativen Reiseziel? Können wir ihn als Energiequelle nutzen? Wann und wie könnten wir auf dem Erdtrabanten eine Basis oder eine Siedlung errichten? Wird es eines Tages möglich sein, dieses Ödland in 384'000 km Entfernung in einen blühenden Standort für Forschung und industrielle Tüchtigkeit verwandeln?

"Unser Wissen über den Mond ist erstaunlich lückenhaft", sagt Bernard Foing, der Smart-1 Projektwissenschaftler der ESA. "Wir möchten nach wie vor in Erfahrung bringen, wie das Erde-Mond-System entstanden ist und sich weiterentwickelt hat, und welchen Einfluss geophysikalische Prozesse wie Vulkanismus, Tektonik, Kraterbildung und Erosion auf die Entstehung des Mondes hatten. Und natürlich müssen wir zur Vorbereitung künftiger Explorationsmissionen zum Mond und anderen Planeten Ressourcen finden und Landegebiete auskundschaften."

Der Mond birgt noch immer zahlreiche Geheimnisse, obwohl sechs Apollo-Missionen der NASA und drei unbemannte sowjetische Raumfahrzeuge auf ihm gelandet sind und Gesteinsproben zur Erde gebracht haben. Die erdabgewandte Seite des Mondes - die man von der Erde aus nicht sehen kann - und seine Polregionen sind weitgehend unerforscht. Auch konnte das Vorhandensein von Wasser auf dem Mond nie bestätigt werden, obwohl in den 90er Jahren zwei Orbiter indirekte Anzeichen hierfür gefunden haben. Wir wissen nicht einmal mit Sicherheit, wie der Mond überhaupt entstanden ist. Nach der inzwischen weitverbreitetsten Theorie kollidierte vor 4,5 Milliarden Jahren ein Asteroid von der Gösse des Mars mit der Erde, worauf die verdunsteten Trümmer dieser Kollision im Weltraum kondensierten und schliesslich den Mond bildeten.

Smart-1 wird eine Karte der Topographie des Mondes und der Verteilung von Mineralien wie Pyroxene, Olivine und Feldspate auf seiner Oberfläche erstellen. Ein Röntgendetektor wird die chemischen Hauptbestandteile der Mondoberfläche bestimmen. Anhand dieser Daten werden die Wissenschaftler die geologische Entwicklung des Mondes rekonstruieren und nach Spuren der Kollision mit dem riesigen Asteroiden suchen können. Wenn diese Theorie zutrifft, müsste es auf dem Mond im Verhältnis zu leichteren Elementen wie Magnesium und Aluminium weniger Eisen als auf der Erde geben. Mit der ersten umfassenden Mengenanalyse der chemischen Elemente wird Smart-1 einen bedeutenden Beitrag zur Lösung dieser Frage leisten können.

Technologien für künftige interplanetare Missionen

MultinationaIe Teams von Wissenschaftlern und Ingenieuren haben sich diesmal zu einem wissenschaftlich-technischen Operationszentrum zusammengeschlossen, um bei dieser Mission neue Technologien zu testen, die auch bei künftigen interplanetaren Missionen zum Einsatz kommen können. Vertreten sind so die Hauptinvestoren aus Finnland, Deutschland, Italien, der Schweiz und Grossbritannien. Diesmal sind an dieser Mission sämtliche ESA-Mitgliedstaaten vertreten, meist als Co-Investoren. Hauptauftragnehmer ist die schwedische Raumfahrtbehörde (SSC). Mit der amerikanischen General Dynamics nimmt auch ein US-Unternehmen mit einem Kommunikationsexperiment an der europäischen Mondmission teil. Smart-1 erprobt neue Platz und Gewicht sparende Miniaturisierungstechniken. In der Raumfahrt bedeutet weniger Masse pro mitgeführtem Instrument mehr Instrumente pro Nutzlast und damit mehr Möglichkeiten für wissenschaftliche Experimente.

Die Nutzlast dieser Sonde sieht ein Dutzend technischer und wissenschaftlicher Untersuchungen mit sieben Instrumenten vor, die insgesamt nur 19 kg auf die Waage bringen. Das würfelförmige Röntgenteleskop D-CIXS (Demonstration of a Compact Imaging X-ray Spectrometer) aus dem britischen Rutherford Apleton Laboratory beispielsweise, ist nur 15 cm breit und wiegt weniger als 5 kg. Die ultrakompakte elektronische Kamera AMIE (Asteroid-Moon Micro Imager Experiment), die bei der CSEM SA in Neuchâtel gefertigt wurde, ist so leicht wie ein Hobby-Camcorder. Mit der APCO Technologie SA in Vevey - Structure and Mechanical Ground Support Equipment - sowie der Contraves Space in Oerlikon - Electric Propulsion Mechanism - sind zwei weitere schweizerische Firmen massgeblich an der Mission beteiligt.

Auch neue Navigations- und Weltraum-Kommunikationstechnologien sollen getestet werden. Das auf den Bildern der schweizerischen Miniaturkamera AMIE und der Sternrichtungsgeber beruhende Experiment OBAN (Onboard Autonomous Navigation) ist der erste Schritt hin zu künftigen "selbständigen" Raumfahrzeugen. In nicht allzu ferner Zukunft werden wissenschaftliche Sonden in der Lage sein, ihren vorausberechneten Weg mit einem Minimalaufwand an Bodenkontrolle zu finden und sich hauptsächlich an Sternen und anderen Himmelskörpern zu orientieren.

KATE - die mit dem Mond redet

Was die Kommunikation betrifft, so müssen die Ingenieure neue, effiziente Verbindungsmöglichkeiten zwischen der Erde und den Tiefen des Weltraums für interplanetare Missionen entwickeln, die lange dauern und weit von der Erde wegführen. Aus diesem Grunde ist mit KATE (Deep Space X/Ka-band Telemetry and Telecommand Experiment) eine von den EADS-Astrium Ingenieuren geschaffene Experimentieranlage mit an Bord, um neue Kommunikationsfrequenzen für wissenschaftliche Missionen zu erproben. So ganz nebenbei lässt sich auch in das Innere des Mondes schauen.

Bei der Entwicklung des kombinierten X/Ka-Band-Transponders von KATE wurden neue Technologien auf dem Gebiet der integrierten Chips der digitalen Signalaufbereitung und bei den Gehäuse-Materialien eingesetzt. Dadurch soll die Kommunikation zu Raumfahrzeugen in grosser Entfernung von der Erde noch sicherer und effizienter werden. Zudem wird ein Laserexperiment durchgeführt, bei dem die Sonde die Verbindung mit der Erde mit Hilfe eines Laserstrahls anstatt herkömmlicher Funkwellen herstellt. Von einer optischen Bodenstation auf Teneriffa (Kanarische Inseln) aus kommuniziert die ESA bereits über Laserverbindungen mit Fernmeldesatelliten. Die Ausrichtung des Laserstrahls ist sehr viel schwieriger, wenn - wie im Fall von Smart-1 - das Raumfahrzeug sehr weit entfernt ist und sich überdies schnell bewegt. Die Wissenschaftler hoffen, dass die Bordkamera AMIE in der Lage sein wird, den Laserstrahl auf Teneriffa zu erfassen.

Mehr über Smart-1 und das Wissenschaftsprogramm der ESA erfahren Sie unter http://www.esa.int/science

Kleiner Exkurs der Himmelsmechanik

Fotos: ESA, J.Huart, Medialab