Rosetta, die Sonde

Rosetta ist eine Raumsonde der ESA, die den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko zum Ziel hat. Nach ihrem Start am 2. März 2004 mit einer Ariane 5 G+ passierte die von EADS Astrium in Friedrichshafen gebaute Sonde nach mehreren Swing-By-Manövern an Erde und Mars die Asteroiden (2867) Šteins und (21) Lutetia und verbrachte dann 957 Tage im „Winterschlaf“ (Deep Space Hibernation).

Am 6. August 2014 wurde Rosetta in 100 Kilometern Entfernung zu 67P/Tschurjumov-Gerasimenko auf Schrittgeschwindigkeit abgebremst. Die mit vielfältigen Sensoren ausgestattete Sonde soll den Kometen in wenigen Kilometern Höhe umrunden und im November 2014 den Lander Philae abwerfen. Gemeinsam soll der Komet während seiner aktiven Phase erkundet werden. Die Forscher erhoffen sich Rückschlüsse auf die chemische und Isotopenzusammensetzung des frühen Sonnensystems.

Die Sonde ist nach der ägyptischen Hafenstadt Rosette benannt, der Lander nach der Insel Philae im Nil. Beide Orte sind für dort gefundene „Meilensteine“ der Entzifferung der altägyptischen Schriften bekannt: den Stein von Rosette und einen Obelisken auf der Nilinsel. An Bord der Sonde befindet sich eine Rosetta Disk.

START

Am 2. März 2004 um 08:17 Uhr MEZ hob die Trägerrakete Ariane 5 G+ mit der drei Tonnen schweren Sonde an Bord ab. Ein Jahr nach dem Start, am 4. März 2005, flog Rosetta ein erstes Swing-By-Manöver, bei dem die Sonde sich der Erdoberfläche bis auf 1’900 km näherte. Ihre Bahn kreuzte danach die des Planeten Mars, den sie dort nach einem weiteren Umlauf und Kurskorrekturen am 29. September und 13. November 2006 zu einem sehr engen Swing-By traf. Diese Begegnung am 25. Februar 2007 mit einem Minimalabstand von nur 250 km verlangsamte Rosetta , was die darauf folgende Wechselwirkung mit der Erde umso ergiebiger machte. Diese Wechselwirkung bestand aus zwei Begegnungen jeweils am 13. November der Jahre 2007 und 2009, mit Abständen von 5’295 bzw. 2’481 km.

WINTERSCHLAF

Rosettas Energieversorgung durch Solarzellen war ein Novum für Missionen jenseits der Marsumlaufbahn. Mit der Strahlungsintensität, die quadratisch mit der Distanz von der Sonne abnimmt, sinkt auch die gewinnbare elektrische Leistung. Die sehr groß dimensionierten Solarmodule erlaubten im März 2011 gerade noch einen ersten Blick auf das eigentliche Ziel der Mission, den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko, aus über 1 AE Abstand. Die weitere Annäherung geschah aber in einem weiten Bogen, der mit maximal 790 Mio. km Sonnenabstand fast bis zur Jupiterbahn reichte. Für die 31 Monate jenseits von etwa 660 Millionen km Sonnenentfernung, wurde daher die Sonde in einen Schlafmodus versetzt, in dem die geringe verfügbare Leistung nur der „Lebenserhaltung“ diente (Bordcomputer und einige Heizelemente für die wissenschaftliche Nutzlast). Am 20. Januar 2014 erwachte Rosetta planmäßig aus diesem Ruhezustand. In den folgenden Monaten wurden alle Instrumente der Sonde ausgiebig auf ihre volle Funktionsfähigkeit getestet und mit Software-Upgrades ausgestattet. Der Lander erwachte am 28. März 2014.

ANNÄHERUNG

Im Verlauf des Mai 2014 verringerte sich die Entfernung zum Kometen von etwa zwei Millionen Kilometer auf eine halbe Million Kilometer. Durch drei Big Burns, am 21. Mai, 4. Juni und 18. Juni, wurde mit insgesamt fast 17 Stunden Brenndauer der Triebwerke die Relativgeschwindigkeit der Sonde zum Kometen um fast 650 m/s gesenkt. Der restliche Bremsbedarf von gut 100 m/s wurde auf sechs weitere Bremsmanöver mit systematisch abnehmender Brenndauer verteilt, die bis zum 6. August 2014 stattfanden. Dabei überholte die Sonde den Kometen und wurde etwa 100 km vor ihm gestoppt.

In diesem Abstand und bei einer Differenzgeschwindigkeit von unter 1 m/s hat dessen Gravitation bereits einen messbaren Einfluss. Zunächst erkundete die Sonde sechs Wochen lang auf dreieckiger Bahn das gravitative Fernfeld des Kometen, um seine genaue Masse und Schwerpunktlage zu bestimmen. Antriebslose Messphasen auf etwa 100 km langen, hyperbolischen Bahnen wurden alle drei bis vier Tage von kurzen Wendemanövern um etwa 300° unterbrochen.

Mitte September erfolgte der Übergang in einen elliptischen Orbit in knapp 30 km Abstand. Während der Orbit bis zum 10. Oktober 2014 schrittweise auf 10 km Höhe abgesenkt wurde, erfolgte die genaue Kartografierung der Oberfläche, auch um einen Landeplatz für Philae zu wählen. Die Auflösung erreichte zwei bis drei Meter.

LANDUNG

Ende August 2014 wurden von den beteiligten Wissenschaftlern fünf geeignete Stellen in die engere Wahl als Landeplatz auf P67/Churyumov-Gerasimenko genommen und veröffentlicht, aus denen am 15. September der primäre und sekundäre endgültige Landeort ausgewählt wurden. Keiner der fünf Kandidaten konnte zu 100 Prozent alle Kriterien an einen optimalen Landeplatz erfüllen, aber Landeplatz J erwies sich als beste Lösung. Er ist ein sonniger Ort auf dem Kometenkopf in einer abwechslungsreichen, aber nicht zu sehr zerklüfteten Landschaft und kaum steilen Hängen mit durchschnittlich sieben Sonnenstunden pro Kometentag, die dafür sorgen, dass sich die Batterien des Landers immer wieder aufladen. Auch der sekundäre Landeplatz, der sich auf dem Kometenkörper befindet, liegt in relativ flachem Terrain und hat ausreichend Sonnenlicht. Am 15. Oktober 2014 wurde der ausgewählte primäre Landeplatz J endgültig vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt bestätigt. Infolge eines Wettbewerbs wurde der Landeplatz am 4. November 2014 in Anlehnung an eine gleichnamige Nilinsel auf den Namen Agilkia getauft.

Das Abtrennen des Landers erfolgte am 12. November 2014 für 8:35 Uhr UTC in einer Entfernung von 22,5 km zum Kometenkern. Etwa sieben Stunden später erfolgte die Landung. Nach der Abtrennung näherte sich der Lander mit etwa 1 m/s dem Kometen und setzte mit Hilfe eines kardanisch gelagerten (mit zwei Freiheitsgraden) dreibeinigen Landegestells und dem zwischen Sonde und Landegestell befindlichen Mechanismus, Bubble genannt, auf dem Kometen auf, prallte aber wegen der niedrigen Schwerkraft zwei Mal wieder ab. Bubble hat mehrere Aufgaben. Es dient als Dämpfungselement für das Aufsetzmanöver bei der Landung, ermöglichte dem Lander, seine Position durch Kippen und Drehen zu verändern, und beherbergt die elektrischen Verbindungen zwischen der Sonde und den Sensoren in den Füßen. Das kardanische Element nimmt zusätzliche Dämpfungsfunktionen wahr, indem es die Knickbewegungen im Element abbremst. Die Fixierung am Boden soll durch drei Eisschrauben, je eine an einem Landegestellfuß. Zwei Harpunen konnten nicht erfolgreich eingesetzt werden.

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. Eine weiterentwickelte Version von Alice findet sich auch in der Sonde New Horizons. ALICE ist neben MIRO und IES (Ion and Electron Sensor) eines von drei Instrumenten, die unter Leitung der NASA entwickelt wurden.
• Das Bildgebungssystem OSIRIS (Optical, Spectroscopic and Infrared Remote Imaging System) mit zwei Kameras: Weitwinkel mit 12° × 12° und Tele mit 2,2° × 2,2° Sichtfeld. Jede mit Spiegeloptik, Filterrad und 4-Megapixel-Sensor. Zum Orientieren sowie Fotografieren insbesondere der Partikelwolke und der Oberfläche des Kometen hinunter bis zu 2 cm Auflösung bei größter Annäherung auf 1 km Abstand, in sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereichen. Auch zur Suche eines Landeplatzes für den Lander.
• VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) soll mittel bis gering aufgelöste Bilder vom Kometenkern schießen, aus denen sich auf die räumliche Verteilung von gefundenen Elementen schließen lässt.
• Das Instrument MIRO (Microwave Spectrometer for the Rosetta Orbiter) soll für die Moleküle CO, CH3OH, NH3, H216O, H217O und H218O die Ausgasungsrate aus dem Kometenkern und die Verteilungsfunktionen für Fluggeschwindigkeit und angeregte Zustände messen. Nach diesen Molekülen wurde auch in der Nähe der Asteroiden Ausschau gehalten. Diese hochauflösende Molekülspektroskopie geschieht an zahlreichen im 0,5-mm-Band fest eingestellten Frequenzen. Zusätzlich gibt es dort und im 1,9-mm-Band breitbandige Kanäle zur Messung von Temperatur und Temperaturgradient an der Oberfläche der besuchten Himmelskörper.
• ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) besteht aus einem DFMS (Double Focusing Mass Spectrometer) und einem Flugzeit-Massenspektrometer RTOF, die Ionen und Neutralgasteilchen nachweisen können. Dadurch lassen sich zum Beispiel die Zusammensetzung der kaum vorhandenen Kometenatmosphäre und Wechselwirkungen der Teilchen bestimmen.
• Für die Untersuchung des Kometenstaubs wird COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Spectrometer) ebenfalls mit einem Massenspektrometer die Häufigkeiten von Elementen, Isotopen und Molekülen bestimmen.
• Das hochauflösende Rastersondenmikroskop MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System) kann die Feinstruktur einzelner Staubteilchen abbilden.
• Das RPC (Rosetta Plasma Consortium) beinhaltet Ionen- und Elektronendetektoren sowie ein Magnetometer. Sie messen physikalische Eigenschaften des Kerns und der Koma sowie die Wechselwirkungen zwischen Koma und Sonnenwind.
• Das CONSERT-Experiment (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radio wave Transmission) erkundet die Struktur der Kometenkerns.
• GIADA (Grain Impact Analyser) untersucht die Koma und bestimmt die Anzahl, Größe und Geschwindigkeit der darin befindlichen Staubkörner.
• Durch Nutzung des Kommunikationssystems bestimmt RSI (Radio Science Investigation) das Gravitationsfeld des Kometenkerns und daraus seine Masse und Massenverteilung.

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