Landung auf
dem Saturnmond
Titan

Die Cassini-Huygens-Mission ist ein von der US-Raumfahrtbehörde NASA und der europäischen Raumfahrtagentur ESA gemeinsam konzipiertes Unternehmen zur Erforschung des Saturnsystems. Moderne europäischeTechnik macht dies möglich.

Eine Titan-IV-Centaur-Rakete brachte das Raumfahrzeug Cassini von Cape Canaveral aus in eine Bahn, auf der es nach sechs Jahren und sieben Monaten den Saturn erreicht. Nach zwei Swingby-Manövern an der Venus im April 1998 bzw. Juni 1999, einem Swingby an der Erde im August 1999 und einem weiteren am Jupiter im Dezember 2000 wird das Raumfahrzeug die erforderliche Geschwindigkeit erhalten, um im Juli 2004 den Saturn zu erreichen. Nach einigen Monaten in der Saturnumlaufbahn wird der Orbiter Cassini dann die mitgeführte europäische Huygens-Sonde abstossen, die dann in die Atmosphäre des Satummondes Titan absteigt. Die Huygens-Sonde soll zunächst die Zusammensetzung der Titanatmosphäre und die Verteilung von Spurengasen und Aerosolen sowie Winde und Temperaturen, ferner Druck und Oberflächenbeschaffenheit untersuchen, um schliesslich auf dem Saturnmond zu landen. Eine in der Sonde mitgeführte Multispektralkamera wird Bilder von Titan liefern.

Es kommt nicht von ungefähr, dass man die beiden fluggeräte nach europäischen Astronomen, dem Franzosen Giovanni Cassini sowie dem Niederländer Christian Huygens, benannte. Beiden verdanken wir massgebliche Einsichten in das Saturnsystem.

Im Fernrohr wird die Erscheinung Saturns durch das prächtige Ringsystem beherrscht, das die grosse Plattenscheibe umgibt und wahrscheinlich erstmals von Gallleo Galilei im Jahre 1610 gesehen wurde, wenn er auch nicht dessen wahre Gestalt erkannte. Erst Christian Huygens stellte 1656 fest, dass es sich um einen freischwebenden Ring handelte. Er verwendete bei seinen Beobachtungen erstmals ein später nach ihm benanntes Okular, dessen Aufgabe darin besteht, das vom Objektiv des Linsenfernrohrs entworfene echte Zwischenbild möglichst abbildungsgetreu in das Auge des Betrachters zu leiten. Vereinfacht ausgedrückt wirkt das Okular wie eine Lupe. Der aus einer Astronomenfamilie aus Italien stammende Giovanni Domenico Cassinis entdeckte 1671 vier der Saturnmonde. Weltweite Anerkennung erfuhr er 1675, als er einen schmalen Spalt bemerkte, der den Saturnring in zwei Teile trennt.

Saturn ist der sechste Planet im Sonnensystem und der äusserste, der vor der Erfindung des Fernrohrs bekannt war. Er besteht im wesentlichen aus Wasserstoff und Helium und gibt 1,8mal soviel Energie ab, wie er von der Sonne empfängt. Saturn hat keine Oberfläche, auf der man landen könnte. Ein Raumfahrzeug, welches in seine Atmosphäre absteigen würde, wäre von Gasen eingehüllt. Die Temperaturen sind unerträglich heiss, das Fahrzeug würde in der Hitze zerbrechen und schmelzen.

Es wird angenommen, dass das Innere Saturns aus einem eisenreichen Kern aus Ammoniak, Methan und Wasser von der Grösse der Erde besteht, der von einer 21 000 km dicken Schicht aus flüssigem, metallischem Wasserstoff umschlossen ist. Darüber erstrekken sich ein flüssiger, molekularer Wasserstoff und ausgedehnte Wolkenschichten. Obgleich uns auch die besten Teleskope der Erde nur drei Ringe des Planeten zeigen, wissen wir inzwischen, dass das Ringsystem aus einer nahezu atemberaubenden Ansammlung von Tausenden von Ringen besteht. Die Instrumente der Forschungssonden Pioneer und Voyager meldeten, dass diese aus Eis bestehen, welche vermutlich Gesteinsbrocken umschliessen. Aber auch «flimmernde Geisterteilchen» wurden entdeckt, von denen man annimmt,. dass sie elektrisch geladen sind.

Saturn hat wohl die merkwürdigsten Trabanten im ganzen Solarsystem. Ihre Grösse ist recht unterschiedliche sie beginnt bei 40 km und endet bei 25150 km, Monde also, die grösser sind als der Planet Merkur. Saturn wird von 17 Monden umkreist - oder sind es sogar noch mehr? Nach der Cassini-Mission erfahren wir vermutlich Genaueres. Einige der Monde sind von zahlreichen Kratern übersät, von ihrer Entstehungsgeschichte wissen wir so gut wie gar nichts. Es sind dieses Iapetus, Dione und Enceladus, von dem man glaubt, er besitze Eisvulkane, die Teilchen zu Saturns entferntestem Ring schlendern.

Übrigens: Der Cassini-Orbiter wiegt 2150kg, die Huygens-Sonde 350 kg, zusammen mit den anderen wissenschaftlich-technischen Einrichtungen an Bord beträgt das Startgewicht 5800 kg.

Weil nicht genügend Sonneneinstrahlung erfolgt, verfügt der Orbiter über keine Solarausleger, sondern er wird durch Generatoren versorgt. Verwendet wird Plutonium 238, das auch bereits bei den Galileo- und Ulysses-Missionen zur Anwendung kam. Thermokoppler verwandeln die beim Zerfall des Plutoniums entstehende Wärme in Elektrizität.

Titan und die Erde sind die einzigen Körper im Sonnensystem, deren Atmosphäre primär aus Stickstoff besteht. Die Photodissoziation der atmosphärischen Bestandteile erzeugt Wasserstoff, der dann in den Weltraum entweicht, so dass Titan von einem Torus aus Wasserstoffatomen umgeben ist. Der äussere Rand der Magnetosphäre hindert diese Gaswolke daran, sich weiter über die Titanbahn hinaus – auszudehnen. Titan könnte noch über die Chemie verfügen, die einst auf der jungfreudlichen Erde vorhanden war, bevor die Bakterien auftraten. Man glaubt auf dem Saturnmond feststellen zu können, welche Veränderungen auf unserem Planet durch die Sonnenstrahlen hervorgerufen wurden.

Wird sich eines Tages auf Titan ein Leben wie auf der Erde entwickeln? Ein amerikanisches Instrument auf der europäischen Huygens-Sonde soll Titans «Ursuppe» untersuchen. Der Saturnmond besitzt eine rötlich-orange Färbung mit Meinem, aber merklichem Unterschied zwischen den beiden Hemisphären. Er hat eine ausgedehnte Atmosphäre, die hauptsächlich aus Stickstoff (82 %) mit Spuren von Methan (6 %), Acetan, Propan, Diacetylen, Methylacetylen, Kohlenstoffdioxid und Kohlenmonoxid besteht.

In geringen Höhen über der Mondoberfläche könnten auch Methanwolken schweben, die abregnen, abhängig von Druck, Höhe und Temperatur. Das wurde bei einem Experiment abgeleitet, bei dem die VoyagerSonde langsam Radiosignale zur Erde schickte, während sie sich der Mondscheibe vom Atmosphärenrand her immer mehr näherte, bis sie dahinter verschwand. Auf der Erde kamen dann mehr oder weniger geschwächte Signale an, je nachdem, wie dicht die durchlaufende Atmosphärenschicht war. Nach den Messdaten dieses Bedeckungsexperiments sowie aus Messungen an Bord der Voyager beträgt die Temperatur auf der Titanoberfläche 92 K, und der Oberflächendruck ist 1,6 bar, so dass man eine Erwärmung durch einen schwachen Treibhauseffekt annehmen kann.

Die Erforschung dieses Saturnmondes durch vorbeifliegende Sonden - und natürlich erst recht durch erdgebundene Teleskope - erweist sich natürlich als recht schwierig. Einzig der grobe Aufbau der Atmosphäre konnte dank Voyager 1 analysiert werden. Über die Beschaffenheit der Oberfläche gibt es bislang nur Vermutungen. Es wird erwartet, dass die europäischen «Eintauchsonde» nun neue Erkenntnisse vermitteln wird.

Um auf einem derart unwirtlichen Trabanten wie Titan zu landen, braucht es ein spezielles Gefährt, das allen Widrigkeiten trotzt. Europa hat diese Herausforderung angenommen: Die ESA baute, zusammen mit der französischen Aérospatiale, die Huygens-Sonde, die nicht nur «eintauchen», sondern wenn möglich sicher landen soll. Das Gerät für das Flugmodell wurde von der Daimler Benz Aerospace ausgeliefert, wo die Instrumentalisierung vorgenommen wurde.

Huygens wurde mit einer Schutzkapsel versehen, die einer Muschel gleicht Zwei mit Hitzekacheln versehene Hälften sollen 12'000 ⁰C widerstehen, wenn das Gefährt die Gashülle durchquert, das Hitzeschild sowie die benötigte Trennvorrichtung wurden bei der Contraves Space, Oerlikon, hergestellt.

Bestückt ist die Sonde mit Messinstrumenten und Sensoren, aus den diversen europäischen Mitgliedstaaten der ESA sowie den USA. So wird beispielsweise ein deutsches Radiosystem die Windgeschwindigkeiten messen, um diese an den Orbiter weiterzugeben. Schon beim Abstieg, bei mehr als 1000 km über Titans Oberfläche, soll ein Radarhöhenmesser erkunden, ob die Landefläche eben oder hügelig ist.

Detaillierte Wetterinformationen werden von Instrumenten geliefert, die von einem internationalen Team unter italienischer Leitung bereitgestellt werden. Dazu der Projektleiter Marcello Fulchignoni: «Huygens gibt uns die seltene Chance, einen Wetterbericht direkt aus einer anderen Welt zu liefern. Auf Überraschungen müssen wir allerdings vorbereitet sein.» Mit anderen Instrumenten sollen Radiowellen sowie Licht- und Schallerscheinungen verschiedener Wolken - also Blitze - nachgemessen werden. Ein mitgeführtes Mikrofon soll sogar das Donnergrollen aufnehmen.

Ein amerikanisches Instrument soll die Sonde nach der Landung auf dem Mond fortwährend nach allen Seiten drehen, damit die gesamte Umgebung mit einem Scanner bearbeitet werden kann. Allerdings dürfte bei dem dort herrschenden orangefarbigen Nebel nicht besonders viel von der Gegend zu sehen sein.

Wiederum sollen, wie bei Voyager 1, infrarotspektroskopische Messungen vorgenornmen werden. Ein Spektrometer soll feststellen, wieviel Wärme durch die Sonneneinstrahlung in die Atmosphäre eindringt und wieviel davon wieder in den Weltraum abgestrahlt wird.

Mit einem Massenspektrometer soll das Gewicht von Molekülen und Atomen bestimmt werden, ein Chronograph soll diese nach ihrer Geschwindigkeit «sortieren».

Auch die Suche nach Argon, einem chemischen Element aus der Gruppe der Edelgas, soll intensiviert werden. Es entsteht grösstenteils aus dem Zerfall des Kaliumisotops und könnte Hinweise auf die atmosphärische Herkunft dieses Saturnmondes geben. Wenn es einst von eisigen Kometen mitgeführt wurde, wie viele annehmen, könnte dessen Gehalt sehr gross sein. Dieses könnte die Theorie erhärten wonach die Atmosphäre und das Wasser der Erde ebenfalls von Kometen stammen. Ein nur geringer Bestandteil an Argon würde jener Auffassung recht geben, wonach sich Titan aus methan- und amoniakhaltigen Eis bildete, das in einer Wolke um den Saturn entstanden ist. In diesem Falle würden die Gase allem Anschein nach aus dem Inneren des Planeten stammen, und die Sonnenstrahlen hätten es in nitrogene Stoffe umgewandelt. Auf der Suche nach Aerosolteilchen, feste oder flüssige Schwebestoffe von maximal etwa 10^-5 cm Durchmesser, macht sich ein französisch-österreichisches Team mit ihren Instrumenten, einem Spektrometer und einem speziellen Gaschromatographen. Diese kolloidal im Dispersionsmedium Luft gelösten Teilchen spielen als Kondensationskeime eine wichtige Rolle im Wettergeschehen.

Die Gilde der Chemiker sieht diesen Untersuchungen ebenfalls mit grossem Interesse entgegen. Eine Untersuchung von Titans Atmosphäre wird Hinweise darauf geben, wie sich unsere Erdatmosphäre entwickelt hat, und uns wahrscheinlich helfen, die Entstehung des Lebens auf unserem Planeten zu verstehen.

Der Kamikazeflug der Huygens-Sonde

Man geniesst einen wundervollen Ausblick auf die schillernden Ringe Saturns, bevor man im orangefarbigen Nebel verschwindet. Landet die Sonde nun auf festem Boden oder auf einem Teil des Mondes, der nach analytischen Berechnungen mit Methanozeanen bedeckt ist?

Was wäre wohl die letzte Meldungen eines Astronauten? Dass er erfriert, ihm die Luft zum Atmen fehlt, oder dass die Titanatmosphäre ganz fürchterlich nach einer Ölraffinerie riecht...?

Die Huygens-Sonde «schläft» während der Reise von der Erde zum Saturn. wobei natürlich gelegentlich Kontrollen über ihr Wohlbefinden gemacht werden. Fünf Monate vorsichtigen Manövrierens werden benötigt, um die Huygens-Sonde an Titan «abzuliefern». Eine Alarmanlage wird die Sonde «wecken», eine Viertelstunde, bevor der Abstieg in die Titanatmosphäre beginnt. Bei dem Eintritt in die Mondatmosphäre werden an der Sonde sehr hohe Temperaturen entstehen, da sie durch die Reibung der oberen Atmosphärenschichten abgebremst wird. Während der Abbremsung von 14 auf 25g soll das Schutzschild die Sonde vor dem Verglühen schützen, und bei von 1,5facher Schallgeschwindigkeit in etwa 190 km Höhe wird der erste Fallschirm entfaltet. Es dauert etwa 2,5 h bis zur Landung auf Titans Oberfläche.

Mit den wissenschaftlichen Messungen kann erst begonnen werden, wenn das Hitzeschild abgesprengt worden ist und die Instrumente freigesetzt wurden. Das geschieht oberhalb des Mondes. Kurz vor der Landung, wenn die Geschwindigkeit auf weniger als 300 km/h hinuntergefahren wurde, wird die Roboterkontrolleinheit einen zweiten Fallschirm öffnen, und die Sonde wird sanft zu Boden gleiten.

Allerdings wird befürchtet, dass in diesem Moment der Kontakt zum Cassini-Orbiter abbrechen könnte, nicht wegen des harten Aufpralls, sondern weil man einen flüssigen Untergrund vermutet Vielleicht hat die Huygens-Sonde auch Glück und der Wind trägt die Sonde auf eine Insel, so dass sie wie geplant die Untersuchungen aufnehmen kann.

Die 300 W Verlustleistung des Robotergehirns mit all seinen Zusätzen soll die Kälte, zwischen -120 und -200⁰ C geschätzt, überstehen helfen. Allerdings muss die Sonde die Mondoberfläche erreichen, bevor die Batterie leer ist. Für die Beobachtungen auf der Oberfläche des Mondes bleiben möglicherweise nur ganze 3 min, vielleicht eine halbe - aber höchstens 3 h.

Nicht nur die europäische Sonde, sondern auch der amerikanischen Cassini-Orbiter, der übrigens mit Hilfe italienischer Wissenschaftler instrumentiert wurde, soll den Saturnmond erforschen. Zunächst einmal dient er als Relaistation, um die direkte Informationen der fünf Instrumente von der Huygens-Sonde aufzunehmen und zu interpretieren.

Man will aber genau wie bei Voyager 1 - durch die Ausnutzung des Gravitationsfeldes von Titan hinter dem Mond vorbeifliegen, während der vier Jahre dauernden Mission bis zu 60mal. Zudem soll er von allen Seiten fotografiert werden.

Cassini wird aber auch Langzeitbeobachtungen der Dynamik des Saturnsystems, des Planeten und seiner Ringsysteme vornehmen, zudem soll der Orbiter sich den Monden Iapetus, Dione und Enceladus nähern. Alle anderen Satummonde werden aus der Ferne beobachtet. Verwendet werden dabei vor allem die europäischen Instrumente zur Messung des Staubes und des Magnetismus.

Während der Umläufe soll der Orbiter durch die Gravitation des Saturnmondes derart in seiner Bahn gestört werden, dass er von nahezu waagrecht zur Ringebene zu senkrecht wechselt. An die 30mal soll er dabei die schmalen Ringöffnungen durchfliegen. Wenn das gelingt, dann «Hut ab» vor denen, die diese Bahnen berechnet haben!

Da das Cassini-Raumfahrzeug der auf dem Weg zum Saturn mindestens einen Planetoiden, nämlich Maja (Nr.66), sowie die Planeten Venus und Jupiter passieren wird, könnte das Unternehmen Cassini-Huygens zu einer der effolgreichen Planetenmissionen der nächsten beiden Jahrzehnte werden.

Die Planetensonde Huygens wird auf dem Titan bleiben; sie wird somit das erste europäische Raumfahrzeug, das in einer anderen Welt gelandet ist.

Fred Richter
Fachjournalist, Voltastrasse 30
CH-6005 Luzern