Pioneer 10 Raumsonde

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pioneer 10 Raumsonde – Jupiter Mission

 

Pioneer 10 ist die erste von Menschen gebaute Raumsonde, die den Planeten Jupiter und anschließend den äußeren Bereich des Sonnensystems erreichte. Sie wurde am 3. März 1972 vom Launch Complex 36 auf Cape Canaveral mit einer Atlas-Centaur-Rakete gestartet.

Die Sonde hat zahlreiche wissenschaftliche Erkenntnisse über den Planeten Jupiter, den Asteroidengürtel, aber auch in den äußeren Regionen des Sonnensystems erbracht. Pioneer 10 erwies sich als äußerst robust und sendete das letzte Mal im Januar 2003 Daten zur Erde. Mit einer Missionsdauer von knapp 31 Jahren übertraf sie ihre geplante Lebensdauer von 21 Monaten um mehr als das Sechzehnfache.

 

Planung und Missionsziele von Pioneer 10

 

Schon während der 1960er Jahre beschäftigten sich zahlreiche Wissenschaftler mit möglichen Missionen zu den äußeren Planeten, insbesondere zum Jupiter, da man erkannte, dass sich dessen starke Gravitation nutzen lässt, um Raumsonden ohne Treibstoffaufwand durch das sogenannte Swing-by stark zu beschleunigen.

Die NASA genehmigte im Februar 1969 ein Programm, das zwei baugleiche Sonden zum Jupiter bringen sollte. Diese wurden der Pioneer-Serie zugeordnet und trugen die Namen Pioneer F bzw. Pioneer G. Das Programm wurde vom Pioneer Project Office am Ames Research Center geleitet, die Sonden sollten von TRW entwickelt und konstruiert werden.

Zu Jupiter gibt es alle 13 Monate ein optimales Startfenster, und so entschied man sich, dass die erste Sonde im Februar oder März 1972 gestartet werden sollte, die zweite 13 Monate später. Die genauen Zuständigkeiten waren wie folgt ausgeprägt:

  • Pioneer-Gesamtprogramm: NASA-Hauptquartier, ursprünglich geleitet von Glenn A. Reiff und später von F. D. Kochendorfer.
  • Pioneer-F/G-Projekt: Ames Research Center mit Charles F. Hall als Manager
    • wissenschaftliche Instrumente: Joseph E. Lepetich
    • Sondensysteme: Ralph W. Holtzclaw
    • Sondenbetrieb: Robert R. Nunamaker, später Norman J. Martin
    • wissenschaftliche Leitung: Richard O. Fimmel
  • Bahnverfolgung und Datenverarbeitung: Jet Propulsion Laboratory, geführt von A. J. Siegmeth und später Richard B. Miller
    • Datenübertragung: Goddard Space Flight Center, welches das Deep Space Network zur Kommunikation mit den Sonden steuert
  • Trägerrakete: Lewis Research Center mit D. J. Shramo als Manager

 

Pioneer 10

Die Missionsziele der Pioneer-Sonden konzentrierten sich auf den Bereich jenseits des Mars. So sollte der Asteroidengürtel wissenschaftlich erforscht und gleichzeitig dessen Gefährlichkeit für Raumfahrzeuge ermittelt werden.

Auch das interplanetare Medium zwischen Mars und Jupiter war von großem wissenschaftlichen Interesse. Schließlich sollte auch Jupiter selbst intensiv untersucht werden.

Die Pioneer-Sonden benötigten die höchste Geschwindigkeit, die je ein von Menschen geschaffenes Objekt erreichen würde.

Daher wurde die damals stärkste verfügbare Trägerrakete, eine Atlas-Rakete mit einer Centaur-Oberstufe, gewählt.

Da der Schub immer noch nicht ausreichte, integrierte man zusätzlich eine dritte Feststoffstufe, mit der man die nötige Geschwindigkeit von über 14,3 km/s erreichen konnte.

Technik der Raumsonde

 

Pioneer 10 wurde primär aus Aluminium gebaut und wog beim Start 258 kg, wobei 28 kg auf den Treibstoff Hydrazin zur Lageregelung entfielen. Der zentrale Teil der Sonde besteht aus einem sechseckigen Ring, der den Großteil der Elektronik beherbergt und aus Aluminium in Sandwich-Wabenkern-Bauweise gefertigt wurde.

Das Sechseck hat eine Tiefe von 25,5 cm und eine Seitenlänge von 71 cm. Darauf befindet sich die auffällige Parabolantenne mit einem Durchmesser von 2,74 m. Am Zentralteil sind symmetrisch drei Ausleger angebracht. Zwei davon tragen in drei Metern Entfernung je zwei Radionuklidbatterien (siehe Energieversorgung), um Störungen durch deren Strahlung zu vermindern. Am dritten, 6,6 m langen Ausleger befindet sich das HVM-Instrument. Im Zentrum des Ringes befindet sich ein beheizter Kugeltank mit einem Durchmesser von 42 cm für das Hydrazin.

Energieversorgung der Sonde

 

Pioneer 10 war die erste Sonde, die ihre Energie ausschließlich aus einer thermoelektrischen Radionuklidbatterie bezog. Diese Neuerung war nötig, da die Sonnenstrahlung bei Jupiter 27-mal geringer ist als bei der Erde, wodurch Solarzellen aufgrund der benötigten Fläche von etwa 23 m² unpraktikabel wären. Die vier Batterien von Pioneer 10 sind mit dem Isotop Plutonium-238 befüllt, das eine Halbwertszeit von 87,7 Jahren hat und während des Zerfalls Alphastrahlung aussendet.

Diese Strahlung wird sehr schnell absorbiert, wodurch große Mengen Wärme freigesetzt werden (Temperatur typischerweise mehrere 100 Grad Celsius).

Diese Wärme wird mit 90 Thermoelementen pro Batterie direkt in elektrische Energie umgesetzt.

Die Batterien sind vom Typ SNAP-19, der auch bei den Viking-Sonden zum Einsatz kam, wiegen je 15,4 kg und haben die Abmessungen 58 cm × 38 cm.

Beim Start erzeugten alle Batterien zusammen eine Leistung von 155 Watt, die aufgrund des Plutoniumzerfalls und des Verschleißes der Thermoelemente bis zum Jupiter auf 140 Watt sank.

Bis 2004 sank das Niveau auf nur noch 65 Watt ab. Pioneer 10 benötigt maximal 106 Watt, wovon 26 Watt auf die wissenschaftlichen Instrumente entfielen. Die Bordspannung beträgt 28 Volt.

Pioneer - Schema einer SNAP-19-Radionuklidbatterie

Kommunikation

 

Die Kommunikation erfolgte primär über die große Hochgewinnantenne, die einen Durchmesser von 2,74 m und einen Öffnungswinkel von 3,3° hat. Sie erreichte einen Antennengewinn von 38 dB. Hiermit wurde im Asteroidengürtel eine Senderate von 2 kbit/s und bei Jupiter 1 kbit/s erreicht. Allgemein konnte die Übertragungsrate in 16 Schritten von 0,016 kbit/s bis 2 kbit/s gewählt werden.

Die Empfangsrate war bei Jupiter mit nur einem Bit pro Sekunde sehr niedrig. Auf dem Empfänger befindet sich zusätzlich noch eine Mittelgewinnantenne, die auch bei einer ungenauen Ausrichtung auf die Erde Daten senden und empfangen konnte.

Sollte die Sonde keinerlei Ausrichtung auf die Erde durchführen können, so gibt es auf der anderen Seite eine Niedriggewinnantenne, die in einem viel größeren Bereich (32° Öffnungswinkel) senden und empfangen konnte, wenn auch bei extrem geringen Übertragungsraten. Dies resultiert aus dem sehr niedrigen Antennengewinn von nur 21 dB.

Daher ist sie nur zur Notfallkommunikation gedacht und wurde nicht zum Übermitteln wissenschaftlicher Daten genutzt. Alle Übertragungen fanden im S-Band bei 2,110 oder 2,292 GHz statt, wobei die beiden redundanten Transmitter eine Sendeleistung von je 8 W aufweisen und 1,75 kg schwer sind.

 

Elektronik der Raumsonde

 

Pioneer 10 besitzt wie frühere Raumsonden kaum automatische Steuerungssysteme und musste somit ständig mit Kommandos von der Bodenstation versorgt werden. Insgesamt gibt es 222 Befehle, wovon 73 auf die Steuerung der wissenschaftlichen Instrumente und 149 auf die Kontrolle der Sonde entfallen. Jeder Befehl ist 22 Bit lang, womit die Übertragung 22 Sekunden dauerte, als sich die Sonde im Bereich des Jupiters befand.

Für einige Situationen, in denen mehrere Befehle in schneller Folge hintereinander ausgeführt werden mussten, reichte diese Datenrate allerdings nicht aus. Daher verbaute man einen Speicher, der bis zu fünf Kommandos aufnehmen konnte. Die wissenschaftlichen Instrumente verfügen über einen Speicher mit einer Kapazität von insgesamt 50 kbit und können mit 18 verschiedenen Datenformaten umgehen.

Eine der wenigen automatischen Komponenten der Sonde ist das CONSCAN-System. Mithilfe der Minimumpeilung kann es die Antenne autonom auf die Erde ausrichten. Allerdings ist die manuelle Ausrichtung durch Befehle von der Bodenstation im Hinblick auf den Treibstoffverbrauch effektiver, weswegen der CONSCAN-Modus nur selten eingesetzt wurde.

Flugsteuerung der Sonde

 

Um die Position der Sonde zu ermitteln, kommen drei Sternsensoren zum Einsatz, von denen zwei die Sonne und einer Canopus als Leitsterne anpeilen. Sollte einer der beiden Sterne aus dem Sichtbereich der Sensoren auswandern, wird eine Lagekorrektur eingeleitet.

Diese wird durch zwölf paarweise angeordnete Schubdüsen durchgeführt, die sich an der Antennenschüssel befinden. Sie können einen Schub von 1,8 bis 6,2 Newton erzeugen.

Die Stabilität der Sonde wird durch eine Eigenrotation von etwa 4 bis 5 Umdrehungen pro Minute gewährleistet, wobei die Rotationsgeschwindigkeit mit der Zeit sank. Die Rotation erfolgt um die Achse Sender–Antenne–Zentralring. Die Schubdüsen werden auch zur Anpassung der Rotation genutzt.

 

Ablauf der Mission

 

Start der Raumsonde

 

Da Pioneer 10 für den Weg zum Jupiter eine hohe Fluchtgeschwindigkeit erreichen musste, wurde eine schubstarke Trägerrakete benötigt. Man entschied sich für eine Atlas-Rakete mit einer Centaur-Oberstufe. Zusätzlich wurde eine Feststoffoberstufe vom Typ „Star 37E“ eingesetzt.

Diese war 1127 kg schwer und lieferte über einen Zeitraum von 43 Sekunden einen Schub von 66,7 kN. Diese Sonde wurde am 3. März 1972 um 1:49 UTC vom Launch Complex 36 der Cape Canaveral AFB aus gestartet. Anders als viele frühere Sonden wurde Pioneer 10 direkt auf einen Kurs zu Jupiter gebracht, anstatt erst in einen Parkorbit befördert zu werden.

Mit einer Geschwindigkeit von 14,36 Kilometern pro Sekunde übertraf sie die Geschwindigkeit der Apollo-Raumschiffe. Diese benötigten drei Tage zur Mondumlaufbahn, Pioneer 10 nur 11 Stunden.

 

Erste Flugphase und Asteroidengürtel

 

Pioneer 10 gelangen schon früh wichtige wissenschaftliche Ergebnisse. So konnte das Zodiakallicht erstmals von weit jenseits der Erde nachgewiesen werden. Im August 1972 kam es zu einem Sonnensturm, der von Pioneer 9 und 10 gleichzeitig beobachtet und vermessen werden konnte. Im Februar 1973 erreichte die Sonde als erstes von Menschen hergestelltes Objekt den Asteroidengürtel.

Man betrat absolutes Neuland, bereits Teilchen mit einem Durchmesser von 0,05 mm konnten die Sonde schwerwiegend beschädigen. Zur damaligen Zeit vermutete man, dass der Asteroidengürtel ein Vordringen in Richtung Jupiter unmöglich machen könnte. Es stellte sich allerdings heraus, dass diese Annahme völlig übertrieben war, denn weder konnte das AMA-Instrument große Asteroiden ausmachen, noch konnte das MD-System viele Einschläge melden.

Die größte Annäherung an ein katalogisiertes Objekt (Planetoiden aus der Palomar-Leiden-Gruppe) betrug 8,8 Millionen Kilometer. Somit konnte man den Asteroidengürtel als ernsthafte Gefahr für spätere Raumschiffe praktisch ausschließen. Während des gesamten Weges zu Jupiter wurden ungefähr 16.000 Kommandos zur Sonde gesendet.

 

Jupiter

 

Im November 1973 erreichte Pioneer 10 das Jupitersystem, als sie die Bahn des äußersten zum damaligen Zeitpunkt bekannten Mondes Sinope kreuzte. Die größte Annäherung zum Jupiter fand am 3. Dezember 1973 statt. Am 26. November trat die Sonde in den Bugschock von Jupiters Magnetosphäre ein, was man an der rapiden Geschwindigkeitsabnahme (von 451 km/s auf 225 km/s) und der stark erhöhten Temperatur des Sonnenwindes erkannte.

Als Pioneer 10 diese Zone binnen eines Tages durchquert hatte, war der Sonnenwind durch das starke Magnetfeld Jupiters, dessen Flussdichte sich auf 5 nT belief, nicht mehr messbar. Da es einige Tage zuvor verstärkte Sonnenaktivität gab, wurde dieses Magnetfeld am 29. November temporär gestaucht, so dass die Sonde noch einmal 11 Stunden lang mit Sonnenteilchen in Kontakt kam. Am 1. Dezember befand sich die Sonde dann endgültig innerhalb des Magnetfeldes von Jupiter, der sich in 3,5 Millionen Kilometern Entfernung befand.

Nun begann man mit der Anfertigung der Fotos, 95 Stunden vor der nächsten Annäherung. Aufgrund des großen Blickfeldes der Kamera war der Planet erst acht Stunden vor der größten Näherung formatfüllend. 74 Stunden nach der Annäherung wurde der Betrieb des IPP eingestellt, wobei man 180 Bilder aufnehmen konnte. Am 3. Dezember 1973 kamen bei Pioneer 10 aufgrund der starken Strahlung einige Kommandos nicht an, was dazu führte, dass das IPP den Mond Io nicht fotografierte.

Während der Passage des Strahlungsgürtels bekam die Sonde eine Strahlendosis ab, die um das 1000-Fache höher lag als die für den Menschen tödliche Dosis. Trotzdem gelang noch je eine Aufnahme der Monde Ganymed, Europa und Kallisto. Aufgrund der nahezu vollständig manuellen Steuerung der Sonde wurden im Jupitersystem 400 bis 2000 Kommandos pro Tag gesendet.

Dank Pioneer 10 konnte man Jupiters Struktur wesentlich besser analysieren als mit den damaligen erdgebundenen Instrumenten. So fand sie ein kleineres Gegenstück zum Großen Roten Fleck, den man bereits früher von der Erde aus entdeckt hatte. Allerdings war dieser neue Fleck bei der Ankunft von Pioneer 11 wieder verschwunden. Temperaturmessungen ergaben, dass die hellen Zonen des Planeten um 6 Kelvin kühler waren als die dunklen, was durch ihren höheren Albedo-Wert zu erklären ist.

Wie vermutet strahlte Jupiter 2,5-mal mehr Energie ab, als er durch die Sonnenstrahlung aufnahm. Im starken Strahlungsgürtel des Planeten wurden bis zu 13 Millionen hochenergetische Elektronen pro Kubikzentimeter gemessen, bei den Protonen lag die Konzentration bei bis zu 4 Millionen Protonen/cm³. Bei den niederenergetischen Elektronen stieg die Dichte auf bis zu 500 Mio. Elektronen/cm³, was 5000-mal mehr war als im Van-Allen-Gürtel.

Die Atmosphäre wurde genau untersucht und so konnten der Heliumanteil, der Druck und die Temperatur bestimmt werden. Das Temperaturminimum von −163 °C wurde bei einem Druck von 0,03 bar erreicht. Das HVM-Instrument vermaß die Lage, Form und Stärke von Jupiters Magnetfeld, dessen Einfluss bis zur Saturnumlaufbahn reicht. In den oberen Wolkenschichten betrug die Flussdichte des Feldes 0,4 mT. Durch Gravitationsmessungen stellte man fest, dass der Kern des Planeten nur sehr klein und flüssig ist. Bei dem Mond Io konnte man das S-Band-Experiment zum Einsatz bringen und stellte so einen Bodendruck von 0,05 mbar fest, wobei die Atmosphäre bis zu 115 km hoch war.

Bei dem Mond konnte außerdem eine ausgeprägte Ionosphäre entdeckt werden, die sich auf der Tagseite 700 km ausdehnte und eine Elektronendichte von 60.000 Elektronen pro Kubikzentimeter aufwies. Auf der Nachtseite war sie mit nur 9000 Elektronen/cm³ wesentlich dünner. Zwischen Ios Umlaufbahn und Jupiter wurde auch eine Wasserstoffwolke entdeckt.

Die Sonde näherte sich der Wolkenobergrenze von Jupiter bis auf 130.354 Kilometer und wurde durch das Swing-by-Manöver weiter beschleunigt. Die erreichte Maximalgeschwindigkeit lag dadurch kurzzeitig bei 132.000 km/h (= 36,67 km/s). Durch die immense Masse des Planeten wurde die Flugbahn von Pioneer 10 um beinahe 90° abgelenkt, sie verblieb aber in der Ekliptik.

 

Nach Jupiter

 

1976 passierte Pioneer 10 die Bahn von Saturn und 1979 die von Uranus, eine Erkundung dieser Planeten war aber nicht vorgesehen. Am 13. Juni 1983 passierte die Sonde als erste die Bahn von Neptun, dem äußersten Planeten des Sonnensystems. Pioneer 10 blieb bis zum 17. Februar 1998 das am weitesten von der Erde entfernte von Menschen geschaffene Objekt. Die 1977 gestartete Sonde Voyager 1 befindet sich aber inzwischen dank ihrer höheren Geschwindigkeit in größerer Distanz zur Erde.

Zwar wurde Pioneer 10 nicht für den Einsatz außerhalb der Umlaufbahn des Jupiters ausgelegt, aber die Instrumente zur Messung von Strahlung und Ionen waren generell auch zur Analyse des interplanetaren Raumes geeignet. Problematisch wurde bald das geringe Energieniveau der Sonde, da sich die abgegebene Leistung der Radionuklidbatterien kontinuierlich verringerte, weswegen immer mehr wissenschaftliche Instrumente mit der Zeit abgeschaltet werden mussten.

Das AMA-System musste bereits im Dezember 1973 abgeschaltet werden und im Januar 1974 folgte das IR-Instrument. Im November wurde dann das Magnetometer deaktiviert. Im Jahre 1976 fiel der Hauptsender des Kommunikationssystems aus, so dass man auf den Reservesender umschalten musste. Der Programmspeicher wurde im September deaktiviert, ebenfalls um Strom zu sparen. Aufgrund der zu niedrigen Betriebstemperatur konnte der Meteoritendetektor nicht weiter effektiv betrieben werden und wurde im Oktober 1980 abgeschaltet.

Seit 1980 konnte man beobachten, dass Pioneer 10 leicht von der vorausberechneten Bahn abkam. Dieses Phänomen wird als Pioneer-Anomalie bezeichnet und war lange Zeit ungeklärt, inzwischen wird es auf die ungleichmäßige Wärmeabstrahlung zurückgeführt. Weitere Probleme an dem System sorgten für einen Leistungsabfall, so dass man gezwungen war, auf die großen 70-m-Antennen des Deep Space Networks zurückzugreifen.

Es handelt sich um die leistungsfähigsten Modelle ihrer Art, mit denen man eine Datenrate von 16 Bit/s erreichte. Im November 1993 schaltete man das TRD-Instrument ab, im Dezember zwecks Stromersparnis den Unterspannungsschutz. Von nun an konnten schon kleine Schwankungen in den elektrischen Systemen einen Totalausfall bedeuten. Aus diesem Grund schaltete man den Schutz bei Kurskorrekturen wieder vorübergehend ein, da man dabei auf separate Batterien zurückgriff. Im September 1995 deaktivierte man den Plasmaanalysator, so dass nur noch vier Instrumente aktiv waren: UV, CPI, CRS und GTT.

Um Geld einzusparen, wurde Pioneer 10 am 31. März 1997 offiziell abgeschrieben, obwohl sie noch funktionstüchtig war. Allerdings schaffte man es immer wieder, Geldmittel aus anderen Projekten abzuziehen, um hin und wieder Kontakt mit der Sonde aufzunehmen. Die Sonde wurde anschließend für das Training von Bodenkontrollern genutzt, die an ihr den Umgang mit Sonden übten, die sehr lange Signallaufzeiten (mehrere Stunden) aufwiesen.

Nebenbei empfing man so auch noch wissenschaftliche Daten. Aufgrund des immer weiter sinkenden Energieniveaus war man trotzdem gezwungen, auch die letzten Instrumente abzuschalten. Im Januar 2001 war dann nur noch das GTT-System aktiv. Am 10. Februar 2000 konnte Pioneer das letzte Mal einen Befehl empfangen (die Sonde meldete einen erfolgreichen Empfang), da die zunehmende Entfernung die Empfangsstärke unter ein kritisches Niveau sinken ließ.

Am 27. April 2002 konnten letztmals verwertbare Daten von der Sonde empfangen werden. Das letzte identifizierbare Signal empfing man am 22. Januar 2003, beim nächsten geplanten Kontakt am 7. Februar konnte kein Signal von der Sonde detektiert werden und so endete die Mission bei einer Entfernung von ca. 81 AE (≈12 Mrd. Kilometer) nach 31 Jahren, obwohl nur eine Mission von 21 Monaten geplant war. Wenn die Sonde ihren aktuellen Kurs beibehält, wird sie in etwa 2 Millionen Jahren im Sonnensystem von Aldebaran eintreffen.

 

Kosten und Nutzen

 

Die Gesamtkosten für Pioneer 10 werden von der NASA mit 350 Mio. US-Dollar beziffert, davon 200 Mio. auf Entwicklung und Konstruktion und 150 Mio. auf die Missionsüberwachung. Im Vergleich zu späteren Missionen kostete die Sonde verhältnismäßig wenig. Pioneer 10 lieferte wichtige Erkenntnisse für die Voyager-Sonden, deren Konstruktion und Ausstattung entsprechend angepasst wurde.

Außerdem konnte gezeigt werden, dass eine gefahrlose Passage des Asteroidengürtels möglich war. Die Sonde lieferte erstmals auch detailreiche Bilder von Jupiter und seinen Monden. Bei einer Missionszeit von 31 Jahren bei geplanten 21 Monaten kann man von einem großen Erfolg für die NASA sprechen.

Anmerkungen

Autorenliste Wikipedia

Copyright Fotos / Grafiken v.o.n.u.v.l.n.r.: NASA/Ames Research Center , NASA , NASA 

Lizenzbestimmungen Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported (abgekürzt)