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PLANET/492: Reisen zu den Planeten - Teil 3, Jenseits des Mars (Sterne und Weltraum)


Sterne und Weltraum 12/12 - Dezember 2012
Zeitschrift für Astronomie

50 Jahre Planetenforschung
Reisen zu den Planeten
Teil 3: Jenseits des Mars

Von Manfred Gottwald



In den 1970er Jahren drangen erstmals Raumsonden in das Reich der Gasriesen und ihrer Monde und Ringe vor. Zudem wurden auch die kleinen Himmelskörper im Sonnensystem zu Zielen der interplanetaren Raumfahrt.


Mehr als zwei Drittel aller erfolgreichen interplanetaren Sonden besuchten bisher die terrestrischen Planeten, Flüge zu Zielen jenseits der Umlaufbahn des Mars sind dagegen deutlich seltener. Nur sechs Missionen hatten bislang die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun zum Ziel, wovon wiederum nur jeweils eine Sonde in eine Umlaufbahn um Jupiter oder Saturn gelangte. Die Übrigen begnügten sich mit den kurzen und einmaligen Beobachtungszeiten bei Vorbeiflügen.

Als erste Sonden schickte die US-Raumfahrtbehörde NASA im Jahr 1972 Pioneer 10 und ein Jahr später seinen Zwilling Pioneer 11 auf den Weg. Beide sollten erstmals den Asteroidengürtel durchqueren und nahe an Jupiter und seinen großen Trabanten vorbeifliegen. Pioneer 11 holte zudem an Jupiter Schwung, um danach zum Saturnsystem zu gelangen. Nach dem Abheben wurden die Sonden von der Trägerrakete direkt in den Transferorbit zu Jupiter eingeschossen, mit der damaligen Rekordgeschwindigkeit von 14,4 Kilometern pro Sekunde, und sie erreichten nach nur 21 beziehungsweise 20 Monaten ihr Ziel. Pioneer 10 flog Anfang Dezember 1973 in nur 130.000 Kilometer Entfernung über die Atmosphäre Jupiters. Dabei machte ein relativ einfaches Kamerasystem zahlreiche Bilder, die ab einem Abstand von weniger als 2,5 Millionen Kilometern mehr Details enthielten als die damals besten von der Erde aus gewonnenen Aufnahmen des Riesenplaneten. In seiner Nähe registrierten die Instrumente der Sonde im Strahlungsgürtel sehr hohe Teilchendichten, ohne dass sie ernsthaften Schaden nahmen.

Bei Pioneer 11 entschied sich die NASA für eine Annäherung bis auf 43.000 Kilometer, wobei das Raumfahrzeug über den Südpol kommend Jupiter nach Norden hin verließ (siehe dieses und folgende Bilder ausschließlich in der Druckausgabe). Durch den sehr nahen Vorbeiflug erhöhte Pioneer 11 seine Geschwindigkeit, stieg über die Ebene der Ekliptik auf und gelangte so auf die der Sonne gegenüberliegende Seite. Dort passierte die Sonde im September 1979 Saturn in einer Entfernung von nur 21.000 Kilometern.

Durch ihre Planetenpassagen hatten Pioneer 10 und 11 die heliozentrische Fluchtgeschwindigkeit erreicht, die sie aus dem Sonnensystem hinausführen. Im März 1997 endete offiziell die Mission von Pioneer 10, ihre letzten schwachen Funksignale wurden im Januar 2003 aus einer Entfernung von zwölf Milliarden Kilometern aufgefangen. Das letzte Signal von Pioneer 11 war bereits Ende 1995 aus 6,5 Milliarden Kilometern empfangen worden. Jedes Jahr kommen die Sonden dem Rand des Sonnensystems näher, wobei Pioneer 10 einen Weg zum Sternbild Stier eingeschlagen hat, während sich Pioneer 11 in entgegengesetzter Richtung bewegt und im Sternbild Schild zu finden ist. Als Hinweis auf ihren Ursprung führen sie jeweils eine Plakette mit sich, welche die Lage und Mitglieder des Sonnensystems, den Ursprung der Sonden, ein Wasserstoffatom mit Informationen zur Entschlüsselung der Plakette sowie eine Darstellung einer Frau und eines Mannes enthält.

Nach dem Erfolg von Pioneer bei Jupiter schickte die NASA im August und September 1977 ein weiteres Sondenpaar in die äußeren Bereiche des Sonnensystems - Voyager 1 und 2. Die seltene Anordnung von Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun in der Ekliptik ermöglichte es mit Hilfe von Swing-by-Manövern, erstmals zu den noch nicht besuchten Eisriesen Uranus und Neptun vorzustoßen. Beide Voyager-Sonden waren deutlich leistungsfähiger als ihre Vorgänger, und besonderes Augenmerk legten die Wissenschaftler auf hoch aufgelöste Bilder der Planeten und ihrer Monde während der Vorbeiflüge.

Die später gestartete Sonde Voyager 1 wählte einen kürzeren Weg zu Jupiter und erreichte ihn bereits im März 1979 (siehe Kasten unten). Innerhalb von zwei Tagen passierte sie in einem Abstand von 280.000 Kilometern den Gasriesen sowie mehrere Trabanten, darunter Io mit einer größten Annäherung auf 20 500 Kilometer. Ein überraschendes Ergebnis von Voyager 1 waren Hinweise auf ein Ringsystem um Jupiter. Der ähnlich verlaufende Vorbeiflug von Voyager 2 erfolgte im Juli 1979 mit etwas unterschiedlichen Abständen zu den Monden.


Flüge zu den Gasplaneten
Das Reich der Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun wurde erstmals in den frühen 1970er Jahren von Objekten aus Menschenhand betreten, als die US-Raumsonden Pioneer 10 und 11 Jupiter erreichten und dicht an ihm vorbeizogen. Bislang hat jede Raumsonde, deren Ziel jenseits des Mars lag, ihre Aufgaben erfüllt, es gab keine Fehlschläge. Alle stammten aus den USA mit unterschiedlich starker internationaler Beteiligung.
Eine besondere Pionierleistung erbrachten die beiden Voyager-Raumsonden, die 1977 gestartet wurden. Einer von ihnen, Voyager 2, gelang es wegen einer besonderen Stellung der äußeren Planeten zueinander, alle vier Gasplaneten zu besuchen und sie erstmals im Detail zu erkunden. Zu Uranus und Neptun sind seitdem keine weiteren Sonden mehr vorgedrungen, und es gibt auch keine derartigen Planungen.
Im Fall von Jupiter und Saturn wurden die mit den Vorbeiflügen gewonnenen Erkenntnisse bereits vertieft. Von 1995 bis 2003 erkundete die Sonde Galileo aus einer Umlaufbahn Jupiter und seine Monde und Mitte 2004 schwenkte die Raumsonde Cassini in eine Umlaufbahn um Saturn ein. Ihre Mission soll noch bis 2017 andauern. Alle noch aktiven Raumsonden sind grün beschriftet.
Jupiter:
Pioneer 10 und 11 (1973/1974)
Voyager 1 und 2 (1979) - noch aktiv
Ulysses (1992)
Galileo (1995-2003)
Cassini (2000) - noch aktiv
New Horizons (2007) - noch aktiv
Juno (2016) - noch aktiv
JUICE (Europa, 2030) - noch aktiv
Saturn:
Pioneer 11 (1979)
Voyager 1 und 2 (1980/1981) - noch aktiv
Cassini 2004-2017 - noch aktiv
Uranus:
Voyager 2 (1989) - noch aktiv
Neptun:
Voyager 2 (1986) - noch aktiv


20 Monate nach dem Vorbeiflug an Jupiter kam Voyager 1 im Saturnsystem an, Voyager 2 folgte im Sommer 1981. Die übermittelten Einblicke bei Jupiter und Saturn übertrafen alle Erwartungen, vor allem die Monde erwiesen sich als mindestens ebenso interessant wie ihr jeweiliger Mutterkörper. Die Entdeckungen reichten von aktivem Vulkanismus auf Io bis hin zur Möglichkeit eines Ozeans unterhalb einer mächtigen Eiskruste auf Europa.

Für Voyager 1 folgten keine weiteren Planetenbesuche mehr. Die Ablenkung im Gravitationsfeld von Saturn führte die Sonde über die Ekliptik in den interplanetaren Raum, mit dem Ziel, die Heliopause zu bestimmen, das heißt die Grenze des Sonnensystems, wo das Magnetfeld der Sonne und der Sonnenwind auf das interstellare Medium treffen. Voyager 1 ist mit einer Entfernung von derzeit 123 Astronomischen Einheiten das am weitesten entfernte künstliche Objekt und bewegt sich von der Erde aus gesehen im Sternbild Schlangenträger. Die NASA hofft, in den Messdaten, die noch bis zum geplanten Ende der Mission im Zeitraum von 2020 bis 2025 eintreffen, eindeutige Hinweise auf den Eintritt in die Heliopause zu finden.

Im Februar 1990 gelang Voyager 1 ein Gruppenfoto des Sonnensystems, das die Erde als »Pale Blue Dot« zeigt (siehe SuW 12/2005, S. 20). Sechs Milliarden Kilometer von der Erde entfernt erscheint unser Heimatplanet nur noch als ein schwacher blassblauer Punkt im All.

Die Bahn von Voyager 2 erlaubte dagegen die erste Begegnung mit Uranus, bei der die Sonde dem Planeten und seinem Mond Miranda auf weniger als 100.000 Kilometer nahe kam (Bild); danach passierte sie im Sommer 1989 Neptun und seine Monde. Hier erzielte Voyager 2 den geringsten Abstand aller Vorbeiflüge, nur 4800 Kilometer trennten das Raumfahrzeug von der Obergrenze der Planetenatmosphäre (Bild). Schließlich flog die Sonde beim Verlassen des Neptunsystems dicht an dessen größtem Mond Triton vorbei. Abgelenkt in den Bereich südlich der Ekliptik bewegt sich Voyager 2 nun ebenfalls weiter in Richtung der Grenze des Sonnensystems. Wie bei Voyager 1 hoffen die Forscher der NASA darauf, dass die Sonde die Heliopause durchstößt, dies dürfte jedoch etwas später stattfinden, da sich Voyager 2 etwa 23 Astronomische Einheiten hinter ihrer Zwillingssonde befindet.

Wie die Pioneer-Sonden, so führen auch die beiden Voyager-Sonden Nachrichten von der Erde mit, diesmal auf einer 30 Zentimeter großen vergoldeten Kupferplatte, die sich wie eine klassische Schallplatte abspielen lässt (Bild). Neben einer Bedienungsanleitung auf ihrer Hülle enthält jede Platte eine Auswahl an Abbildungen aus dem Sonnensystem, von irdischen Szenen und des menschlichen Lebens, natürlichen und künstlichen Geräuschen. Des Weiteren befinden sich auf der Platte Beispiele von Musik aus unterschiedlichen Zeiten und Kulturkreisen sowie gesprochene Grüße von Erdbewohnern. Als eine Art Uhr wurde eine Markierung aus Uran-238 aufgebracht, aus deren Zerfall sich bei bekannter Halbwertszeit der Startzeitpunkt ermitteln lässt.


Orbiter erkunden Jupiter und Saturn

Bereits früh existierten Konzeptstudien mit dem Ziel, sowohl Jupiter als auch Saturn über längere Zeiträume hinweg aus Umlaufbahnen zu untersuchen. Als erstes ließ sich die Mission Galileo verwirklichen, ein mehrjähriger Flug zum Jupitersystem, die neben dem eigentlichen Orbiter auch eine Atmosphärenkapsel beinhaltete. Beim Start im Oktober 1989 war Galileo nicht nur eine der komplexesten interplanetaren Sonden der NASA, es wartete auch ein sehr ambitioniertes wissenschaftliches Programm auf seine Durchführung. Die Flugbahn erforderte drei Swing-by-Manöver, davon zwei an der Erde sowie eins an der Venus. Während der interplanetaren Anreise zeigte sich ein gravierender Fehler: Die Hauptantenne zur Übertragung der enormen Datenmengen hatte sich nicht wie geplant entfaltet. Die Missionskontrolleure mussten auf die Rundstrahlantennen ausweichen, konnten aber durch Änderungen der Bordsoftware sowie der Empfangsanlagen im Deep Space Network den größten Teil des beabsichtigten Programms verwirklichen.

Als im Jahr 1994 die Fragmente des Kometen Shoemaker-Levy 9 in die Atmosphäre von Jupiter stürzten, befand sich Galileo in günstiger Position, um die von der Erde aus nicht direkt sichtbaren Einschläge zu dokumentieren. Wenige Monate vor Erreichen des Riesenplaneten wurde die Atmosphärenkapsel abgetrennt. Zusammen mit dem Orbiter näherte sie sich dem Planeten, bevor sie am 7. Dezember 1995, gebremst durch Hitzeschild und Fallschirm, in die Atmosphäre eintauchte. Sie funkte von ihrem Abstieg 58 Minuten lang Daten über die lokalen Verhältnisse in den obersten Schichten der Jupiteratmosphäre. In einer Tiefe von 150 Kilometern unterhalb der Atmosphärenobergrenze versagte die Kapsel schließlich ihren Dienst. Der Orbiter trat einen Tag später in eine Umlaufbahn um Jupiter ein.

In den nachfolgenden acht Jahren - die ursprünglich auf zwei Jahre ausgelegte Mission wurde mehrmals verlängert - absolvierte er 35 Umläufe um Jupiter (Bild). Diese waren langgezogene Ellipsen, welche die Sonde im jupiterfernsten Teil ihrer Bahn bis zu zehn Millionen Kilometer in den interplanetaren Raum beförderten. Sie erlaubten Untersuchungen der ausgedehnten Magnetosphäre. In Jupiternähe untersuchte Galileo dagegen die inneren Monde bei dichten Vorbeiflügen. Im Falle von Io bedeutete dies, bis weit in die starken Jupiter-Strahlungsgürtel vorzudringen und zu riskieren, dass die Sonde durch die hohe Strahlendosis versagt. Erst als die eigentlichen Missionsziele erreicht waren, näherte sich Galileo in einer Missionsverlängerung den Monden Io und Europa bis auf wenige 100 Kilometer an.

Im Jahr 2002 ließen sich die Strahlungsschäden nicht mehr kompensieren; das Abschalten der Kamera leitete das allmähliche Ende von Galileo ein. Endgültig verstummte der Orbiter im September 2003, als er mit einem letzten Schubmanöver kontrolliert in die Atmosphäre Jupiters gelenkt wurde. Galileo hinterließ jeder nachfolgenden Jupitermission ein schwer zu übertreffendes reichhaltiges Erbe. Derzeit befindet sich die US-Raumsonde Juno im Anflug auf Jupiter und soll dort im Jahr 2016 ankommen. Die Sonde wird vor allem die Atmosphäre und das Magnetfeld des Gasriesen erforschen. Die Europäische Raumfahrtbehörde ESA plant für das Jahr 2022 den Start der Sonde JUICE. Der »JUpiter ICy moon Explorer« soll ab 2030 vor allem die großen eishaltigen Monde Europa, Ganymed und Kallisto im Detail erkunden.

Zwei kurze irdische Besuche sind eine Erwähnung wert: Zwischen Oktober 2000 und März 2001 passierte die Saturnsonde Cassini/Huygens Jupiter auf ihrem Weg zum Ringplaneten und erhielt dort den nötigen Gravitationsschwung (Bild). Ein weiterer Vorbeiflug ereignete sich Anfang 2007 in 2,3 Millionen Kilometer Entfernung, als die Sonde New Horizons mit der Schwerkraftunterstützung Jupiters auf ihre endgültige Bahn in Richtung des Zwergplaneten Pluto gelenkt wurde.

Um das Saturnsystem ähnlich detailliert zu studieren, startete die NASA zusammen mit der ESA Ende 1997 die Mission Cassini/Huygens. Sie war wie Galileo ein interplanetares Schwergewicht, was nicht nur ihre Masse, sondern auch den Umfang ihrer Instrumentierung betrifft. Die Sonde bestand beim Start aus dem Orbiter Cassini und der Landesonde Huygens, deren Ziel der Trabant Titan war. Er ist der einzige Mond im Sonnensystem, der von einer dichten Atmosphäre umgeben ist.

Cassinis interplanetare Flugbahn führte zweimal an Venus, einmal an der Erde und einmal an Jupiter vorbei, bis sie den Weg in Richtung Saturn einschlagen konnte. Im Juli 2004 erreichte die Sonde das Saturnsystem und begann kurz danach ihre vierjährige Primärmission, die ähnlich wie bei Galileo aus weiten elliptischen Umläufen bestand, deren saturnnahe Segmente enge Vorbeiflüge an Monden beinhalteten.

Die Huygens-Landekapsel wurde im Dezember 2004 abgesetzt, die daraufhin Mitte Januar 2005 in die Atmosphäre von Titan eintauchte und auf dessen Oberfläche weich aufsetzte. Insgesamt 3,6 Stunden lang - davon 70 Minuten von der Oberfläche - übermittelte die Kapsel ihre Daten an den Orbiter, der sie an die Bodenstation weiterleitete, bevor er außer Sichtweite von Huygens gelangte. Große Radioteleskope auf der Erde empfingen sogar noch für weitere zwei Stunden die Trägerwelle von Huygens! Sowohl beim Abstieg als auch nach der Landung erlaubten die dabei gewonnenen Aufnahmen erste Blicke in eine bisher vollkommen unbekannte Welt.

Beinahe wäre die Huygens-Mission fehlgeschlagen, da wegen eines Designfehlers der Dopplereffekt als Folge der relativen Bewegung zwischen Kapsel und Orbiter nicht korrekt berücksichtigt worden war, was letztlich den Datentransfer via Cassini-Orbiter verhindert hätte. Dies erkannten die Missionskontrolleure erst in einem Test während der interplanetaren Flugphase und konnten später die Mission durch ein Anheben der Bahn des Orbiters beim Überflug von Titan retten.

Zwischen 2008 und 2010 absolvierte Cassini eine erste Verlängerung, die so genannte Equinox-Mission, da in diesem Zeitraum Saturn die Tagundnachtgleiche durchlief (Bild). Derzeit läuft eine weitere Verlängerung, die bis 2017 reichende Solstice-Mission, bei deren Ende die Nordhalbkugel des Ringplaneten die Sommersonnenwende erleben wird. Sollte dies gelingen, wäre Cassini eine der am längsten funktionierenden Raumsonden in der Geschichte der interplanetaren Raumfahrt.

Unser Verständnis von den beiden Gasriesen hat sich nach jahrelanger Beobachtung aus nächster Nähe grundlegend geändert. Wir besitzen nun Einblicke in die Dynamik ihrer Atmosphären und wurden mit reichhaltigen Informationen versorgt, um aus den obersten Schichten auf das Innere der Planeten zu schließen. Als ebenso interessant erwiesen sich ihre Monde.

Vor allem das Vorhandensein flüssigen Wassers als Voraussetzung für die Entwicklung einfacher Lebensformen erregte großes Interesse. Im Jupitersystem finden wir es womöglich auf Europa, Kallisto und Ganymed in Form von subkrustalen Ozeanen. Saturns Kandidaten sind der Mond Enceladus mit seinen kryovulkanischen Aktivitäten oder auch Titan mit einem möglichen Ozean unterhalb seiner Kruste.


Flüge zu den kleinen Körpern des Sonnensystems

Bei den Flügen zu unseren terrestrischen Nachbarn oder den Gas- und Eisriesen zieht sich wie ein roter Faden die allmählich zunehmende Komplexität der Missionen durch die Historie. Verbesserte Technik, angesammelte Erfahrung sowie ehrgeizigere wissenschaftliche Ambitionen steigerten im Laufe der Zeit die Anforderungen an jede Sonde. Anders verhält es sich, wenn die Unternehmungen zu den kleinen Körpern im Sonnensystem, den Überresten seiner Entstehung, betrachtet werden. Wegen der unterschiedlichen Natur der Objekte, beispielsweise sich schnell bewegende Kometenkerne oder unregelmäßig geformte Asteroiden mit geringer Masse, besitzt jede Mission ihre eigenen Herausforderungen. Deshalb standen die Kleinkörper schon frühzeitig auf der Agenda der interplanetaren Raumfahrt, doch erst in den 1980er Jahren wagten es die Raumfahrtbehörden, den Weg zu solchen Zielen einzuschlagen.

Es begann mit der eigentlich zur Erforschung des Sonnenwinds bestimmten Sonde ISEE-3, später in International Cometary Explorer (ICE) umbenannt. Sie durchflog 1985 nur 8000 Kilometer abseits vom Kern unbeschadet den Schweif des Kometen Giacobini-Zinner und im darauf folgenden Jahr den des Kometen Halley, diesmal jedoch in einer Entfernung von 28 Millionen Kilometern. Das bevorstehende Eindringen von Halley in das innere Sonnensystem löste bei vielen Raumfahrtagenturen intensive Planungen aus, die in Vorbeiflügen von fünf weiteren Sonden mündeten. Zunächst schickte die UdSSR ihre Vega-Sonden nach Absetzen der Lander und der Ballone bei Venus auf den Weg zu Halley (siehe SuW 11/2012, S.44). Sie trafen Anfang März 1986 als eine Art Vorhut am Kometen ein, näherten sich ihm bis auf etwa 8500 Kilometer und charakterisierten dabei seinen Kern und seine Umgebung. Besonders gespannt warteten die Kometenforscher auf Giotto, die Halley-Mission der ESA. Sie riskierte mit einem Minimalabstand von nur 600 Kilometern den Verlust des Raumfahrzeugs in Kernnähe, lieferte aber von dort viel detailreichere Bilder als die russischen Sonden. Aus dem darin ursprünglich nur schemenhaft erkennbaren, sehr dunklen Kern extrahierte eine nachfolgende Bildverarbeitung schließlich die längliche Form mit erstaunlichen Einzelheiten der Oberfläche (Bild).

Obwohl einige Instrumente, darunter die Kamera, in unmittelbarer Nähe zum Kern irreparable Schäden erlitten, gelang es den Missionskontrolleuren der ESA, Giotto weiter unter Kontrolle zu halten. Sie steuerten die Sonde 1992 am Ende ihrer Mission nochmals in die Nähe eines Kometen. Aus einem Abstand von nur 200 Kilometern untersuchten die verbliebenen Sensoren den kurzperiodischen Schweifstern Grigg-Skjellerup. Giotto war die erste eigenständige interplanetare Unternehmung Europas. Ebenso läutete Halley die interplanetare Präsenz Japans ein, denn Sakigake und Suisei, zwei identisch aufgebaute, jedoch unterschiedlich instrumentierte Sonden, analysierten aus sieben Millionen beziehungsweise 150.000 Kilometern das Umfeld des Kometen.


Flüge zu Kometen
Sieben Kometen bildeten bislang das Ziel von Raumsonden, und jeder dieser Vorbeiflüge an einem Schweifstern war erfolgreich. Den Auftakt machte im Jahr 1985 die US-Raumsonde ICE, die den Schweif des Kometen Giacobini-Zinner durchflog. Sehr viel mehr Aufmerksamkeit erregte der berühmte Komet Halley, der bei seiner Wiederkehr 1986 gleich von sechs Raumsonden unter die Lupe genommen wurde. Dabei gelangen der europäischen Sonde Giotto die eindruckvollsten Bilder des Kometenkerns.
Nach den Vorbeiflügen an Halley dauerte es rund 15 Jahre, bis wieder eine Sonde einen Kometenkern im Detail erkundete. Es war die Raumsonde Deep Space 1, die am Kometen Borelly vorbeiflug. Ihr folgte Stardust, die im Jahr 2004 erstmals Proben vom Kometen Wild 2 einfing und zwei Jahre später sicher zur Erde brachte.
Spektakulär war der Vorbeiflug der Sonde Deep Impact am Kometen Tempel 1 im Juli 2005. Sie hatte vorher einen Impaktor von der Größe eines Kühlschranks abgesetzt, der mit großer Wucht mit dem Kometenkern kollidierte (Bild). Derzeit ist die europäische Sonde Rosetta auf dem Weg zum Kometen Tschurjumow-Gerasimenko, den sie Mitte 2014 erreichen wird.
Giacobini-Zinner 1985:
International Cometary Explorer (ICE) - USA
Halley 1986:
Vega 1 und 2 - SU
Sakigake und Suisei - Japan
ICE - USA
Giotto - EU
Grigg-Skjellerup 1992:
Giotto - EU
Borelly 2001:
Deep Space 1 - USA
Wild 2 2004:
Stardust - USA
Tempel 1 2005/2011:
Stardust - USA
Deep Impact - USA
Hartley 2 2010:
Deep Impact - USA


Asteroiden im Porträt

Die erste Nahaufnahme eines Asteroiden gelang der Jupitersonde Galileo im Oktober 1991, als sie auf ihrem Weg zwischen Mars und Jupiter in 1600 Kilometer Entfernung an Gaspra vorbeizog, einem länglichen Objekt mit kraterbedeckter Oberfläche. Eine ähnliche Form zeigte zwei Jahre später der Asteroid Ida, als er in 2400 Kilometer Abstand in das Gesichtfeld von Galileo kam. Dabei entdeckten die Bildauswerter, dass der Asteroid von einem nur 1,4 Kilometer großen Trabanten begleitet wird, der den Namen Dactyl erhielt.

Auch Cassini/Huygens begegnete auf seinem Weg zu Saturn einem Mitglied des Asteroidenhauptgürtels. Es war das bis dahin relativ unbekannte Objekt Masursky, dessen Durchmesser sich trotz der beträchtlichen Entfernung von 1,6 Millionen Kilometern auf 15 bis 20 Kilometer bestimmen ließ.

Bereits im Sommer 1997 war der Asteroid Mathilde ein 2400 Kilometer entferntes Motiv der NEAR-Shoemaker Mission gewesen. NEAR-Shoemaker steht für Near Earth Asteroid Rendezvous - der Namenszusatz erinnert an den kurz zuvor verstorbenen Geologen und Astronomen Gene Shoemaker. Dieses Raumfahrtunternehmen hatte erstmals einen Asteroiden zum Ziel, den erdnahen Eros. Die Mission sollte diesen kleinen Himmelskörper aus einer Umlaufbahn analysieren. Nach dem 1996 erfolgten Start, dem Vorbeiflug an Mathilde sowie einem Swing-By-Manöver an der Erde erreichte die Sonde Ende 1998 Eros.

Der geplante Einschuss in den Asteroidenorbit schlug fehl, da die Sonde kurzzeitig außer Kontrolle geriet. Im folgenden Jahr bewegten sich das Raumfahrzeug und der Asteroid auf ähnlichen heliozentrischen Bahnen, und ein Jahr später im Februar 2000, als sich diese kreuzten, gelang das Orbitmanöver. Bis Februar 2001 untersuchte NEAR-Shoemaker Eros aus unterschiedlichen Höhen von weniger als 200 Kilometern und kartierte dessen Oberfläche genau (Bild). Zum Missionsende riskierte die NASA einen langsamen Abstieg zur Oberfläche mit einer weichen Landung als unerwartetem Höhepunkt. Überraschend setzte die Sonde am 12. Februar 2001 tatsächlich sanft mit einer Geschwindigkeit von nur 1,8 Metern pro Sekunde auf und übermittelte 16 Tage lang Daten über die Beschaffenheit der Asteroidenoberfläche.

Mit Deep Space 1 schickte die NASA im Oktober 1998 eine interplanetare Sonde zum Marskreuzer (9969) Braille, die neben wissenschaftlichen Untersuchungen auch neue Technologien testen sollte. Insbesondere wurde erstmals ein Ionentriebwerk während eines lang andauernden Raumflugs eingesetzt. Deep Space 1 traf im Juli 1999 auf Braille und passierte ihn in einem Abstand von nur 26 Kilometern. Allerdings versagte die automatische Nachführung der Kamera bei der dichtesten Annäherung, so dass die Sonde letztlich aus deutlich größerer Entfernung nur ein verwaschenes längliches Objekt ablichtete. Erfolgreicher verlief zwei Jahre später die Begegnung mit dem Kometen Borrelly. Trotz der bereits fortgeschrittenen Missionsdauer funktionierten weiterhin alle Instrumente einschließlich der Kamera und lieferten 15 Jahre nach den Vorbeiflügen an Halley erstmals wieder Bilder aus der Umgebung eines Kometen.


Proben von einem Kometen

Material eines Mitglieds des Planetensystems aus Regionen jenseits des Mondes zur Erde zu bringen, war immer ein ehrgeiziges Anliegen der interplanetaren Raumfahrt. Zum ersten Mal gelang es im vergangenen Jahrzehnt. Zunächst schickte die NASA Anfang 1999 die Sonde Stardust in den Asteroidengürtel zum Kleinplaneten Annefrank. Der Vorbeiflug mehr als drei Jahre später in einer Distanz von 3000 Kilometern lieferte erste Bilder dieses kleinen Objekts, er sollte aber hauptsächlich Betriebsabläufe für ein Rendezvous mit dem Kometen Wild 2 im Jahr 2004 erproben.

Als Stardust dessen Hülle aus Gas und Staub durchquerte, nahm sie mit einer speziellen Vorrichtung Partikel aus der Koma auf. Dabei lieferte der Vorbeiflug aus 240 Kilometern das nächste Kometenporträt, in dem Wild 2 weniger langgestreckt als Halley und Borrelly erscheint. Genau zwei Jahre später kam Stardust wieder der Erde nahe, um eine Rückkehrkapsel mit dem Kometenstaub abzusetzen. Sie ging an einem Fallschirm auf einem Testgelände der amerikanischen Luftwaffe im USBundesstaat Utah nieder, wo sie kurze Zeit später sicher geborgen wurde.

Die Sonde funktionierte weiterhin, somit entschied sich die NASA für eine Verlängerung des Unternehmens unter dem Namen New Exploration of Tempel 1 (NExT). Anfang 2011 war ihr neues Ziel erreicht, der Komet Tempel 1, der bereits 2005 Besuch von der Mission Deep Impact erhalten hatte, die einen 370 Kilogramm schweren Impaktor auf den Kometenkern aufprallen ließ (siehe SuW 7/2012, S. 42). Der Impaktor übermittelte dabei Detailaufnahmen der Kometenoberfläche bis kurz vor dem Einschlag, während die vorbeifliegende Muttersonde das Ereignis aus sicherer Entfernung ablichtete (Bild). Aus dem Ablauf der Ereignisse ließen sich Rückschlüsse auf die Struktur des Kometen ziehen.

Sechs Jahre später sollte Stardust-NExT den künstlichen Einschlagkrater genauer inspizieren, außerdem wollten die Kometenforscher aus dem Erscheinungsbild von Tempels Oberfläche in den Jahren 2005 und 2011 generelle Veränderungen des Kometenkerns durch die Einwirkung der Sonnenstrahlung untersuchen. Da auch Deep Impact im Jahr 2005 seinen Vorbeiflug an Tempel 1 unbeschadet überstanden hatte, schickte die NASA die Sonde weiter zum Kometen Hartley 2, den sie im November 2010 in 700 Kilometer Entfernung passierte. Obwohl dieser den kleinsten aller bisher untersuchten Kerne besitzt, erwies er sich als extrem aktiv, denn in seiner Umgebung ließen sich Jets aus Eis und Kohlendioxid beobachten, die zentimetergroße Kometenpartikel ausstießen (Bild).


Die Odyssee von Hayabusa

Eine der wohl ungewöhnlichsten interplanetaren Reisen hat die japanische Sonde Hayabusa hinter sich. Das ursprünglich geplante Treffen mit dem Erd- und Marsbahnkreuzer Nereus entfiel wegen einer Startverzögerung; als Ersatz wählte die japanische Raumfahrtbehörde JAXA den zur gleichen Asteroidenklasse zählenden Itokawa aus, ein nur etwa 550 x 300 x 200 Meter großes, längliches Objekt. Dort sollte Hayabusa nach ihrem Start im Jahr 2003 einen winzigen Lander absetzen, danach selber auf dem Asteroiden niedergehen, mit einer Vorrichtung Oberflächenmaterial einsammeln und schließlich den Heimweg in Richtung Erde antreten. Bereits während der Reise zu Itokawa fiel ein Teil der Solarzellen wegen starker solarer Aktivität aus, wodurch sich wegen Energiemangel die Reisegeschwindigkeit des mit einem Ionentriebwerk ausgerüsteten Fahrzeugs verringerte.

Hayabusa erreichte sein Ziel verspätet im September 2005 bei einem fixen Rückreisetermin im November. Zunächst untersuchte die Sonde die Oberfläche des Asteroiden, um einen geeigneten Ort für den Abstieg zu finden. Dieser begann Anfang November, war jedoch von einer Reihe von Anomalien begleitet, in deren Verlauf der kleine Lander verloren ging. Ein erstes Aufsetzen Hayabusas gelang am 19. November, obwohl die von der Sonde übermittelten Informationen dies zunächst nicht anzeigten - das kontrollierte Probeneinsammeln schlug jedoch fehl.

Am 25. November erfolgte ein zweiter Abstieg, wiederum mit unklarem Ablauf, was die Aufnahme von Material betrifft. Trotzdem gelangten in beiden Fällen Partikel der Oberfläche in das Probengefäß der Rückkehrkapsel. Anschließend verließ Hayabusa den Asteroiden und kehrte mit stark beeinträchtigten Subsystemen zur Erde zurück. Im Juni 2010 endete die Mission mit der weichen Landung der Rückkehrkapsel, in deren Probenbehälter sich tatsächlich etwa 1500 winzige Teilchen fanden, von denen die meisten von Itokawa stammen (Bild).


Im Umlauf um einen Schweifstern

Nach dem Erfolg der ESA mit Giotto reiften rasch Pläne, einen Kometen genauer zu studieren. Daraus entwickelte sich Rosetta, eine Sonde zur Untersuchung des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko aus einer nahen Umlaufbahn - das anfängliche Ziel, der Komet 46P/Wirtanen, musste wegen einer Startverzögerung aufgegeben werden. Rosetta wird 67P Mitte 2014 erreichen und ihn bis Ende 2015 in das Innere des Sonnensystems begleiten. Dort soll sie den Übergang des Kometenkerns in die aktive Phase dokumentieren, bei der Gasströme aus seiner Oberfläche hervorbrechen und die Koma und den Schweif des Kometen aufbauen. Sobald mit Hilfe ihrer Bilddaten eine geeignete Landestelle gefunden ist, wird außerdem das Landegerät Philae abgesetzt, das die Oberfläche vor Ort analysiert. Seit dem Start durchlief Rosetta bereits alle nötigen Swing-by-Manöver an Erde und Mars, die Flugbahn ermöglichte nebenbei Begegnungen mit zwei Asteroiden, nämlich im Jahr 2008 mit dem Objekt Steins und 2010 mit dem Kleinplaneten Lutetia.

Mit einem Durchmesser von mehr als 100 Kilometern war Lutetia zum Zeitpunkt des Vorbeiflugs der größte jemals besuchte Kleinplanet (Bild). Dies änderte sich im Juli 2011, als die Sonde Dawn, angetrieben durch einen Ionenmotor sowie unterstützt durch einen Vorbeiflug an Mars, nach einer vier Jahre dauernden Anreise bei Vesta, einem der mit mehr als 530 Kilometer Durchmesser größten Asteroiden, ankam. Sie analysierte Vesta aus unterschiedlichen Bahnhöhen mit zahlreichen Instrumenten bis September 2012 (Bild).


Auf dem Weg zu den Zwergplaneten

Im September 2012 begab sich Dawn auf seinen weiteren Weg zum Zwergplaneten Ceres. Die Ankunft bei ihm ist für Anfang 2015 geplant. Das danach vorgesehene, mindestens fünf Monate dauernde Beobachtungsprogramm ähnelt demjenigen bei Vesta. Das heißt, Dawn hält sich in einer niedrigen Umlaufbahn mit ausreichend Zeit für wissenschaftliche Untersuchungen auf.

Fast zeitgleich wird ein weiterer Zwergplanet von einer interplanetaren Sonde besucht werden, nämlich Pluto mit seinem Mond Charon. Beide erwarten im Sommer 2015 den Vorbeiflug der 2006 gestarteten Sonde New Horizons. Nach gegenwärtiger Planung passiert New Horizons Pluto im Abstand von 10.000 Kilometern, die Entfernung zu Charon wird etwa 27.000 Kilometer betragen.

Danach nimmt die Sonde Kurs auf den Kuipergürtel in der Hoffnung, wenigstens eins seiner eisigen Mitglieder im Zeitraum von 2016 bis 2020 besuchen zu können. Da die heliozentrische Geschwindigkeit von New Horizons ausreicht, das Sonnensystem zu verlassen, wird sie zusammen mit den Sonden Pioneer 10 und 11 sowie Voyager 1 und 2 als Bote unserer Zivilisation schließlich den interstellaren Raum erreichen.


Manfred Gottwald arbeitet am Institut für Methodik der Fernerkundung des DLR, wo er für den Betrieb des Atmosphäreninstruments SCIAMACHY zuständig ist. Er promovierte über Gammaastronomie am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) und war an wissenschaftlichen Weltraummissionen bei der ESA und am MPE beteiligt.


50 Jahre Planetenforschung
Harald Krüger: Vorstoß ins Sonnensystem
Teil 1: Die erdähnlichen Planeten
Teil 2: Die Gasriesen, ihre Monde und die Kleinkörper
Manfred Gottwald: Reisen zu den Planeten
Teil 1: Die ersten Schritte
Teil 2: Die Nachbarn der Erde
Teil 3: Jenseits des Mars

August 2012
September 2012

Oktober 2012
November 2012
Dezember 2012

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Literaturhinweise
Bond, P.: Exploring the Solar System, Cambridge University Press, Cambridge 2012
Harvey, B.: Russian Planetary Exploration: History, Development, Legacy and Prospects, Springer Praxis Books, 2006
Lang, K. R.: The Cambridge Guide to the Solar System. Cambridge University Press, Cambridge 2011

Weblinks zum Thema finden Sie unter
www.sterne-und-weltraum.de/artikel/1168807

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WiS in Sterne und Weltraum
Zum Artikel »Reisen zu den Planeten, Teil 3: Jenseits des Mars« stehen drei WiS-Materialien zur Verfügung:

»Das Sonnensystem« stellt Möglichkeiten vor, das Sonnensystem und die Raumfahrtunternehmungen des Menschen zu den Planeten im Klassenzimmer plastisch werden zu lassen.
(ID-Nummer: 1156152)

»Jupiter, der Gasriese« hilft Lehrern, den Planeten Jupiter auf unterschiedliche Weise in den Unterricht der Mittelstufe zu integrieren. Die Schüler können dabei den Planeten selbst und seine vier großen Monde erforschen und sie mit der Erde und dem Erdmond vergleichen.
(ID-Nummer: 1069420)

Der Beitrag »Entdeckungsreise im Saturnsystem« sieht den Bau eines Brettspiels vor, bei dem die Schüler mit der Raumsonde Cassini durch das Saturnsystem fliegen und dabei Fragen rund um den Planeten und seine Monde beantworten müssen.
(ID-Nummer: 1051356)

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Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 53:
- Pioneer 11 lichtete die südliche Hemisphäre des Jupiter im Dezember 1974 ab.
- Helle Zirruswolken in der oberen Atmosphäre von Neptun fotografierte die Raumsonde Voyager 2 im August 1989.
- Eine schmale Uranussichel erschien im Gesichtsfeld von Voyager 2, als die Sonde den Eisriesen im Januar 1986 passierte.
- Die Hülle der »Goldenen Platte«, die an Bord beider Voyager-Sonden montiert ist. Auf ihr befinden sich Symbole als Anleitung zum Abspielen der Platte.

Abb. S. 56 oben:
Die Raumsonde Galileo beobachtete den Großen Roten Fleck im nahen Infraroten. Die dunklen Gebiete sind tief liegende Wolken, rosa Farbtöne stehen für dünnen, hohen Dunst und weiße Flächen für hohe, dichte Wolken.

Abb. S. 56 unten:
Aus einer Entfernung von zehn Millionen Kilometern gelang der Raumsonde Cassini/Huygens im Dezember 2000 eine der bislang besten Gesamtaufnahmen des Jupiter.

Abb. S. 57 oben:
So präsentierte sich der Ringplanet Saturn der Raumsonde Cassini zur Zeit der Tagundnachtgleiche im Jahr 2009, die nur alle 15 Erdjahre eintritt. Auf diesem Bild werden die Ringe nur durch reflektiertes Licht vom Planeten beleuchtet.

Abb. S. 57 unten:
Der Saturnmond Titan steht in dieser Seitensicht des Ringsystems im Vordergrund. Rechts zeigt sich der kleine Mond Enceladus vor der Planetenscheibe unterhalb der Ringebene.

Abb. S. 60 oben:
Ein großer Krater auf dem Asteroiden Eros erscheint hier in einer Falschfarbenaufnahme. Die rötlichen Flächen zeigen gealtertes Gestein und Lockermaterial (Regolith), die blaugrauen dagegen relativ junge Gebiete.

Abb. S. 60 unten:
Nach dem Auftreffen des Impaktors der Sonde Deep Impact am 4. Juli 2005 leuchtete der Komet Tempel 1 am Ort der Kollision in gleißendem Licht auf.

Abb. S. 61 oben:
Die Ankunft der japanischen Raumsonde Hayabusa erfolgte am 13. Juni 2010 über Australien und wurde von einem NASA-Forschungsflugzeug beobachtet. Während die Sonde verglühte, setzte die Rückkehrkapsel, der separate helle Punkt rechts, ihren Weg zum Boden fort.

Abb. S. 61 unten:
So erschien der Asteroid Lutetia im Juli 2010 bei der größten Annäherung der Raumsonde Rosetta aus einem Abstand von 3160 Kilometern. Der Himmelskörper ist etwa 100 Kilometer lang.

Abb. S. 62:
Diese Aufnahme der nördlichen Hemisphäre von Vesta lichtete die US-Raumsonde Dawn im Juli 2011 ab, sie befand sich zu diesem Zeitpunkt 5200 Kilometer von ihr entfernt. Vesta misst rund 530 Kilometer im Durchmesser.

© 2012 Manfred Gottwald, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg

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Quelle:
Sterne und Weltraum 12/12 - Dezember 2012, Seite 52 - 62
Zeitschrift für Astronomie
Herausgeber:
Prof. Dr. Matthias Bartelmann (ZAH, Univ. Heidelberg),
Prof. Dr. Thomas Henning (MPI für Astronomie),
Dr. Jakob Staude
Redaktion Sterne und Weltraum:
Max-Planck-Institut für Astronomie
Königstuhl 17, 69117 Heidelberg
Telefon: 06221/528 150, Fax: 06221/528 377
Verlag: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
Slevogtstraße 3-5, 69117 Heidelberg
Tel.: 06221/9126 600, Fax: 06221/9126 751
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veröffentlicht im Schattenblick zum 19. Februar 2013