Rosetta Raumsonde

 

 

 

Raumfahrtprojekt der ESA

 

 

Rosetta Raumsonde Mission

 

Rosetta ist eine Raumsonde der ESA, die den Kometen Tschurjumow-Gerassimenko seit August 2014 umkreist. Gestartet wurde die Sonde am 2. März 2004.

Gestartet mit einer Ariane 5 G+ als Flug 158 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 anschließend 957 Tage im „Winterschlaf“ (Deep Space Hibernation).

Am 6. August 2014 wurde Rosetta in 100 Kilometern Entfernung zu 67P/Tschurjumov-Gerassimenko auf relative Schrittgeschwindigkeit abgebremst. Die mit vielfältigen Sensoren ausgestattete Sonde umrundet den Kometen in wenigen Kilometern Höhe und hat am 12. November 2014 den Lander Philae abgesetzt, der nach einem etwa siebenstündigen Freifall auf der Kometenoberfläche aufgesetzt hat.

Rosetta und Philae sollen den Kometen anschließend während seiner aktiven Phase, in der er Koma und Schweif ausbildet, begleiten. Seinen sonnennächsten Punkt hat der Komet im August 2015 erreicht. Die Forscher erhoffen sich Rückschlüsse auf die chemische und die Isotopenzusammensetzung des frühen Sonnensystems.

 

Namensgebung

 

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.

 

Kosten

 

Die Mission kostet insgesamt etwa eine Milliarde Euro, als wichtigste der 17 beteiligten Nationen trägt Deutschland davon rund 290 Millionen Euro. Der Lander Philae kostet ungefähr 200 Millionen Euro.

 

Anfänge der Mission

 

Die Entwicklung des Projektes begann 1992.

Ursprünglich war Rosettas Start bereits für den 13. Januar 2003 geplant, und als Ziel war der Komet 46P/Wirtanen vorgesehen. Wegen Schwierigkeiten mit dem Ariane-5-Raketenprogramm (eine Rakete war explodiert) wurde der Start verschoben und auf der Suche nach einem aktiven, noch nicht ausgegasten Kometen, 67P/Tschurjumow-Gerassimenko als neues Ziel ausgewählt.

Am 26. Februar 2004 wurde der Start vom Weltraumzentrum Kourou in Französisch-Guayana kurzfristig wegen heftiger Höhenwinde und am nächsten Tag wegen eines Defekts am Hitzeschutz erneut verschoben. Am 2. März 2004 um 08:17 Uhr MEZ hob die Trägerrakete Ariane 5 G+ mit der 3 Tonnen schweren Sonde an Bord schließlich von der Erde ab.

 

Flugverlauf der Raumsonde Rosetta

 

Keine existierende Trägerrakete vermag eine so schwere Nutzlast direkt auf die Bahn eines Kometen zu bringen. Dazu liegen Erde und Kometen im Gravitationspotential der Sonne zu weit auseinander. Vielmehr brachte die Ariane-Oberstufe Rosetta lediglich auf eine erdnahe Bahn um die Sonne, also im Wesentlichen aus dem Gravitationspotential der Erde heraus.

Dies ist im nebenstehenden Diagramm mit „1“ markiert. Nach wenigen Tagen stand fest, dass die gewünschte Bahn genau genug getroffen wurde, so dass Rosettas Treibstoffvorrat für alle Missionsziele reichen würde, insbesondere für die Bahnkorrekturen der beiden geplanten nahen Vorbeiflüge an den Asteroiden.

Rosettas Bahn kann auf einer interaktiven ESA-Website aus verschiedenen Richtungen betrachtet werden.

 

Swing-By-Manöver

 

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 1900 km näherte. Die Sonde war vor dieser Begegnung „2“ leicht außerhalb der Erdbahn geflogen und von der Erde mitgeschleppt und beschleunigt worden.

Danach entfernte sie sich vergleichsweise rasch nach außen und verlor so weniger Energie, als sie vorher von der Erde erhalten hatte. Ihre Bahn kreuzte nun bei „3“ die des Planeten Mars, den sie dort nach einem weiteren Umlauf und Kurskorrekturen am 29. September (Δv = 32 m/s) und 13. November 2006 (0,1 m/s) zu einem sehr engen Swing-By traf.

Diese Begegnung am 25. Februar 2007 mit einem Minimalabstand von nur 250 km verlangsamte Rosetta um 2,19 km/s, was die darauf folgende Wechselwirkung mit der Erde umso ergiebiger machte. Diese Wechselwirkung bei „4/6“ bestand aus zwei Begegnungen jeweils am 13. November der Jahre 2007 und 2009, mit Abständen von 5295 bzw. 2481 km.

Der Energiegewinn drückte sich in einer Zunahme der großen Halbachse der Bahn auf knapp 1,6 bzw. 3,1 AE aus. 3,5 AE ist der Wert für den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko, dem sich Rosetta seitdem genähert hat.

 

Rosetta Flugverlauf der Mission

Bahnen von Rosetta (schwarz), Erde (grün), Mars (rot), Jupiter (braun) und 67P/Tschurjumow-Gerassimenko (blau)

1 — März 2004: Start der Raumsonde
2 — März 2005: erstes Swing-By-Manöver an der Erde
3 — Februar 2007: Swing-By-Manöver am Mars
4 — November 2007: zweites Swing-By-Manöver an der Erde
5 — September 2008: Vorbeiflug am Asteroiden Šteins
6 — November 2009: drittes Swing-By-Manöver an der Erde
7 — Juli 2010: Vorbeiflug am Asteroiden Lutetia
8 — Juli 2011: Versetzen der Raumsonde in den Schlafmodus
9 — Januar 2014: Erwachen der Raumsonde
10 — August 2014: Einschwenken in den Kometenorbit
11 — November 2014: Landung der Rosetta-Landeeinheit Philae auf dem Kometen
12 — Dezember 2015: Ende der Mission

Beobachtung von Deep Impact

 

Rosetta beobachtete den Einschlag des Impaktors der Sonde Deep Impact am Kometen 9P/Tempel 1am 4. Juli 2005 aus etwa 80 Millionen Kilometern Entfernung quer zur Beleuchtung durch die Sonne. Insbesondere war Rosettas UV-Spektrometer ALICE das am besten geeignete Instrument seiner Art, das für die Beobachtung dieses Ereignisses zur Verfügung stand.

 

Vorbeiflug am Asteroiden (2867) Šteins

 

Am 5. September 2008 passierte Rosetta bei „5“, also am inneren Rand des Asteroidenhauptgürtels, den 4,6 Kilometer großen (2867) Šteins mit einer Relativgeschwindigkeit von 8,6 km/s. Mit einem für die ESA neuen optischen Navigationsverfahren gelang der Vorbeiflug im geplanten Abstand von 800 km.

Zur Berechnung von Korrekturmanövern machten die beiden Navigationskameras (NAVCAM) und die wissenschaftliche Kamera OSIRIS wiederholt Bilder vom Asteroiden vor dem Sternenhintergrund. Während des Vorbeiflugs wurden sowohl Daten mit der optischen Kamera OSIRIS als auch mit dem Spektrometer VIRTIS gesammelt.

Dazu musste die Sonde gedreht werden, sodass die Kommunikationsantenne nicht zur Erde zeigte. Nach 90 Minuten Funkstille bestätigten die ersten Telemetriedaten den Erfolg des Manövers. Die daraufhin veröffentlichten Bilder zeigen einen brillantförmigen Körper mit einer großen Zahl von Impaktkratern. Für Ergebnisse siehe (2867) Šteins.

 

Vorbeiflug am Asteroiden (21) Lutetia

 

Rosetta passierte am 10. Juli 2010 bei „7“ den rund 100 km großen Asteroiden (21) Lutetia mit 3162 km Abstand und einer Relativgeschwindigkeit von 15 km/s.

Neben der Erforschung Lutetias – der Asteroid ist geprägt von riesigen Kratern, Graten und Erdrutschen sowie mehrere hundert Meter großen Felsen – diente der Vorbeiflug auch einem Test der wissenschaftlichen Instrumente von Rosetta sowie von einem der zehn Experimente des Landers Philae in großer Kälte, 407 Millionen km von der Sonne und 455 Millionen km von der Erde entfernt.

 

67P/Tschurjumow-Gerassimenko

 

Überraschend früh, im April 2014, entwickelte der Komet Aktivität, eine kleine Koma aus Gas und Staub. Anfang Juni wurde mit dem Mikrowellenspektrometer MIRO die Emission von Wasser auf 300 Gramm pro Sekunde geschätzt. Mit der Kamera OSIRIS konnte der Komet am 11. Juli als sehr unregelmäßige Form wahrgenommen werden, was zu einer Annahme von zwei unterschiedlich großen, sich berührenden Körpern führte.

Die beiden Teile des Kometen messen 2,5 × 2,5 × 2,0 und 4,1 × 3,2 × 1,3 Kilometer. Bei einem Volumen von 25 Kubikkilometern und einer Masse von zehn Milliarden Tonnen hat der Komet so eine Dichte von 0,4 Gramm pro Kubikzentimeter. Für eine vollständige Rotation um die eigene Achse werden 12,4 Stunden benötigt.

Rosetta Raumsonde - Comet_67P_am_19_September 2014

Winterschlaf der Rosetta Raumsonde

 

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-Gerassimenko, 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 (von „8“ bis „9“ in obigem Diagramm), wurde daher die Sonde in einen Schlafmodus versetzt (Deep Space Hibernation), in dem die geringe verfügbare Leistung nur der „Lebenserhaltung“ diente (Bordcomputer und einige Heizelemente für die wissenschaftliche Nutzlast).

Zur Stabilisierung während dieser Phase wurde Rosetta in eine Rotation mit einer Umlaufzeit von 90 Sekunden versetzt. Am 20. Januar 2014 erwachte Rosetta planmäßig aus diesem Ruhezustand. In den folgenden Monaten wurden alle Instrumente der Sonde getestet und mit Software-Upgrades ausgestattet. Der Lander erwachte am 28. März 2014.

 

Annäherung an den Kometen

 

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 stoppte etwa 100 km vor ihm.

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 einem dreiecksförmigen Kurs 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. Hierbei wurde eine Auflösung von zwei bis drei Metern erreicht.

 

Abwurf des Landers auf den Kometen

 

Ende August 2014 wurden von den beteiligten Wissenschaftlern fünf geeignete Stellen in die engere Wahl als Landeplatz auf P67/Tschurjumow-Gerassimenko genommen und veröffentlicht, aus denen am 15. September der primäre und sekundäre endgültige Landeort ausgewählt wurden.

Am 15. Oktober 2014 wurde der ausgewählte primäre Landeplatz J endgültig vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt bestätigt. Nach einer öffentlichen Ausschreibung wurde der Landeplatz am 4. November 2014 in Anlehnung an eine gleichnamige Nilinsel auf den Namen Agilkia getauft.

Um den Lander Philae, der selbst über keinen Antrieb verfügt, auf den Kometen abzuwerfen, schwenkte Rosetta in einen besonderenpre-delivery orbit ein und führte dann ein Abwurfmanöver aus. Mit einem pre-separation manoeuvre nahm die Sonde kurzzeitig Kollisionskurs auf den Kometen, um sich selbst nach der Abtrennung des Landers mit einem zweiten Manöver wieder auf einen sicheren Kurs zu bringen.

Von dort schwenkte Rosetta über drei weitere relay manoeuvres bis zum 19. November 2014 in eine neue Umlaufbahn von 30 km Abstand zum Kometen. Das Abtrennen des Landers geschah am 12. November 2014 um 08:35 Uhr UTC in einer Entfernung von 22,5 km zum Kometenkern. Nach der Abtrennung näherte sich der Lander mit etwa 1 m/s dem Kometen und berührte etwa sieben Stunden später, um 15:34:06 Uhr UTC, erstmals dessen Oberfläche

Die Gravitationsbeschleunigung auf der Oberfläche des Kometen beträgt grob etwa 1/100.000 der Erdbeschleunigung, wegen seiner unregelmäßigen Form jedoch mit sehr starker örtlicher Variation, sowohl in der Größe als auch in ihrer Richtung. Philae hat eine Masse von 100 kg mit entsprechend großer Trägheit, auf den Lander wirkt aber nur eine Gewichtskraft von 0,01 Newton, entsprechend der Kraft, mit der eine Masse von 1 Gramm auf der Erde nach unten gezogen wird.

Der Lander setzte zweimal auf, bevor er beim dritten Bodenkontakt außerhalb der Zielregion J zum Stillstand kam (Bodenkontakte 15:34, 17:25 und 17:32 UTC). Die Anpress-Rückstoßgasdüse hatte nicht funktioniert, Harpunen und Eisschrauben wurden entgegen der ersten Meldung nicht aktiv, weshalb der Lander beim ersten Kontakt – an der angepeilten Stelle – gedämpft einfederte, doch wieder hochsprang.

Nach dem zweiten Sprung kam er auf zwei Beinen stehend, also wohl angelehnt zum Stillstand. In dieser Position ist er kürzer als geplant sonnenbeschienen, nur 1,5 Stunden pro 13 Stunden Kometentag. Am 15. November 2014, nach 2 Tagen und etwa 8 Stunden, schaltete der Lander wegen zu geringer Energieversorgung in einen Standby-Betrieb.

 

Annäherung des Kometen an die Sonne

 

Vom 3. bis zum 6. Dezember 2014 wurde Rosettas Umlaufbahn von 30 km auf 20 km Abstand zum Kometen abgesenkt. Tschurjumow-Gerassimenko hat gemeinsam mit Rosetta im August 2015 im Abstand von 1,2432 AE (193 Millionen Kilometern) den sonnennächsten Punkt seiner Umlaufbahn erreicht.

Am 4. Februar 2015 wurde der Orbit Rosettas so verändert, dass die Sonde am 14. Februar die Kometenoberfläche in nur 6 km Abstand überfliegen konnte, danach musste die Umlaufbahn aufgrund der zunehmenden Aktivität des Kometen wieder angehoben werden.

Die während des Annäherns ansteigende Sonneneinstrahlung ermöglichte es Philae, nach fast 7 Monaten ohne Signal wieder genügend Energie zu erhalten, um am 13. Juni 2015 Daten zu Rosetta zu senden. Allerdings kam keine zuverlässige längerfristige Kommunikation zustande.

 

Entfernung des Kometen von der Sonne

 

Ab August 2015 entfernte sich der Komet wieder von der Sonne, wurde aber weiterhin von Rosetta vermessen. Die abnehmende Aktivität ermöglicht es der Sonde, die Umlaufbahn wieder abzusenken.

 

Landung auf dem Kometen

 

Zum Ende der Mission im September 2016 soll Rosetta auf der Kometenoberfläche landen.

Anmerkungen

Autorenliste Wikipedia

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