MPS Kameras mit der NASA Discovery Mission DAWN unterwegs zu den Asteroiden Vesta und Ceres

Es wird eine Reise zu den Ursprüngen des Sonnensystems ( DAWN = Morgendämmerung) sein: Zwischen dem 8. und 10. Juli 2007 wird die Raumsonde Dawn an Bord einer dreistufigen Delta II-7925H Trägerrakete vom amerikanischen Weltraumbahnhof Cape Canaveral in Florida ihre Reise zur Erforschung der Asteroiden Vesta und Ceres antreten. Es ist das erste Mal, dass ein und dieselbe Sonde an zwei verschiedenen Körpern des Sonnensystems in eine Umlaufbahn einschwenken wird. Und es ist das erste Mal, dass auf einer NASA-Mission in die Tiefen des Sonnensystems keine amerikanische Kamera verwendet wird: Denn die beiden baugleichen Aufnahmesysteme an Bord von Dawn entstanden an dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Katlenburg-Lindau in Zusammenarbeit mit dem Berliner Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der Technischen Universität Braunschweig (IDA).

Gegenwärtig ist der Start der Mission für Sonntag (8.7.2007) um 16:05 Ortszeit (22:05 Uhr MESZ) vom Startplatz 17B vorgesehen. Sollte es wegen schlechten Wetters in Cape Canaveral zu weiteren Verzögerungen kommen, kann der Countdown in einem täglichen Startfenster von etwa einer halben Stunde bis zum 10. Juli wiederholt werden.

Dawn Zeitplan

Startfenster 7. bis 10. Juli 2007, sowie 14. bis 19 Juli 2007

Trägersystem Delta II 2925 H (3 Stufen)

Weltraumbahnhof Cape Canaveral, Florida, USA, Startkomplex 17B

Prüfungsphase 60 Tage

Schubphase mit dem Ionenantrieb Beginn 81 Tage nach dem Start

Mars Swing-by-Manöver März 2009

Ankunft an Vesta Oktober 2011

Weiterflug zu Ceres April 2012

Ankunft an Ceres Februar 2015

Missionsende Juli 2015

Zweihundert Jahre, nachdem der Bremer Arzt und Astronomen Heinrich Olbers im Jahre 1807 Vesta mit dem Teleskop aufspürte, bricht erstmals eine Raumsonde zu zwei der drei größten Asteroiden auf. Ceres, der größte Körper im Asteroiden-Hauptgürtel, wurde 1801 von Giuseppe Piazzi entdeckt. und von diesem ursprünglich sogar für einen Planeten gehalten: Bei einem Durchmesser von ca. 975 Kilometern ist Ceres von fast kugelförmiger Gestalt und wurde im vergangenen Jahr von der Hauptversammlung der Internationalen Astronomischen Union in Prag, wie auch Pluto, in den Rang eines »Zwergplaneten« versetzt.

Erste Ergebnisse im Oktober 2011

Dawn wird 24 Minuten nach dem Start von der dritten Stufe der Trägerrakete abgetrennt und direkt in eine interplanetare Bahn gebracht. Wenig später werden die beiden jeweils über acht Meter langen Solarzellenpanele zur Erzeugung von insgesamt 10 Kilowatt Leistung zu beiden Seiten des 1217 Kilogramm schweren Raumschiffs entfaltet und dann erstmals die Ionentriebwerke der Sonde gezündet. Dawn befindet sich dann am Beginn einer spiralförmigen Bahn durch das Sonnensystem, auf der die Sonde sich zunächst ganz langsam, aber kontinuierlich beschleunigend von der Erde entfernt. Während der ersten 60 Tage wird die Funktionsfähigkeit aller Systeme und Instrumente überprüft, ehe Dawn wenig später endgültig in einen »Reisemodus« versetzt wird. Im März 2009 wird die Sonde am Mars vorbeikommen und die Wechselwirkung mit dem Schwerefeld des Planeten zur weiteren Beschleunigung nutzen.

Im Oktober 2011 erreicht die Sonde Vesta. Dawn wird den Asteroiden etwas mehr als ein halbes Jahr lang aus unterschiedlich hohen Umlaufbahnen beobachten. Vesta, benannt nach der römischen Göttin des heiligen Feuers, ist wegen ihrer relativ geringen Entfernung von 322 bis 385 Millionen Kilometern zur Sonne und ihrer Größe ein differenzierter Planetoid. Durch die Aufheizung während der Entstehung ist der Körper von Vesta geschmolzen und die schweren Bestandteile haben sich in ihrem Inneren angesammelt. Dies ist eine Entwicklung ähnlich derjenigen der Erde. Vesta ist der kleinste differenzierte Himmelskörper im Planetensystem.

Vesta und Ceres: Zeitgleich vor 4,6 Milliarden Jahren »geboren« - und doch so unterschiedlich

Über die Oberfläche von Vesta ergossen sich vermutlich kurz nach der Entstehung des Körpers vor fast 4,6 Milliarden Jahren Ströme von glutflüssiger »basaltischer« Lava, wie sie auch die Ozeanböden der Erde bedeckt. Teleskopische Beobachtungen zeigen, dass die Kruste Vestas von Gesteinen unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebaut sein muss. Am Südpol hat die Kollision mit einem anderen Asteroiden einen riesigen Einschlagskrater hinterlassen und die äußere Form von Vesta massiv verändert. Aufgrund ihrer spektralen Eigenschaften gehen die Planetenforscher davon aus, dass der Einschlag mindestens 50 kleinere Asteroiden erzeugt hat, die als »Vestoiden« ihre Bahn um die Sonne ziehen. Teile davon sind sogar als Meteoriten bis zur Erde gekommen.

Nach den Vesta-Beobachtungen wird Dawn auf eine Transferbahn zu Ceres - benannt nach der römischen Göttin des Ackerbaus - gebracht. Dort wird die Sonde im Februar 2015 ankommen und bis zum Missionsende im Juli 2015 Messungen vornehmen. Wegen seiner größeren Sonnenentfernung von 380 bis 450 Millionen Kilometer und den dadurch bedingten niedrigeren Temperaturen bei der Bildung des Körpers in dieser Zone des solaren Urnebels wurde bei Ceres ein größerer Anteil an leichten und flüchtigen Elementen eingebaut. Ceres hat deshalb ein geringeres spezifisches Gewicht als Vesta und weist durch seinen beachtlichen Anteil an Eis einige Charakteristika vom Kometen auf. Der Wasseranteil des Zwergplaneten wird auf 15 bis 25 Prozent geschätzt. Es wird nicht ausgeschlossen, dass unter der Kruste im Mantel von Ceres eine vielleicht sogar hundert Kilometer mächtige Schicht aus Eis und möglicherweise auch Wasser existiert.

Fünf Milliarden Kilometer auf dem Ionenstrahl durchs All

Nach der Ankunft bei Ceres wird Dawn mit seinen drei Ionenstrahl-Triebwerken über fünf Milliarden Kilometer durch das innere Sonnensystem gereist sein: Mit diesen Antriebssystemen können weite Strecken sehr viel effektiver als mit konventionellen Raketenantrieben zurückgelegt werden. Im inneren Sonnensystem lässt sich der für ein Ionentriebwerk erforderliche elektrische Strom problemlos durch entsprechend ausgelegte Solarpanele gewinnen, weshalb man auch von »solarelektrischem« Ionenantrieb spricht.

Deutsches Kamera-Knowhow auf amerikanischer Raumsonde

Zwei baugleiche Kameras - auch »Framing Cameras« (FC) genannt, weil auf einen rechtwinkligen Flächensensor abgebildet wird - sind der deutsche Beitrag zur Dawn-Mission. Beide Systeme können dieselben Aufgaben erfüllen und werden Vesta und Ceres durch einen farbneutralen Filter so wie sieben Farbfilter für relativ enge Wellenlängenbänder im sichtbaren Licht vom UV bis zum nahen Infrarot (430 bis 980 Nanometer) erfassen. Die Wellenlängen der einzelnen Filter wurden so gewählt, dass die Oberflächen von Vesta und Ceres nicht nur in »Echtfarbe« abgebildet, sondern auch Aussagen zur Zusammensetzung und physikalischen Beschaffenheit der obersten Staubschicht, dem Regolith, auf diesen Himmelskörpern getroffen werden können.

Abbildung 1: Flugmodell der Framing Camera für die DAWN Mission vor den letzten Funktionsprüfungen im Labor des Max-Planck-Institutes für Sonnensystemforschung.

(Bild: MPS

Aufgrund der langjährigen Erfahrung des MPS konnten die Kameras innerhalb von 3 Jahren gebaut werden. Sie dienen auch zur Navigation. Daher sind aus Redundanzgründen zwei Einheiten auf der Raumsonde montiert.

Zusammenarbeit: MPS (Leitung), DLR und IDA

MPS Optik & Mechanik, Stromversorgungseinheit, Anwender-Software, AIT, Kalibrierung (des Gesamtsystems), Projektmanagement, Operationsleitung

IfP CCD und Ausleselektronik, Subsystem Test und Kalibrierung

IDA Datenauswertungs und -speichereinheit, Low Level Software, Subsystem Test

Die Optik des Kamerateleskops wurde von der Firma Kayser-Threde aus München im Auftrag erstellt.

Die Planung bei beiden Vorbeiflügen, die teilweise vor Ort im Missionskontrollzentrum im kalifornischen Pasadena vorgenommen wird, sieht Aufnahmen aus unterschiedlicher Höhe vor, um möglichst viele wissenschaftliche Aufgaben erfüllen zu können. Aus der niedrigsten Umlaufbahn um Vesta von 200 Kilometern Höhe werden Detailaufnahmen mit einer Auflösung von bis zu zwanzig Metern pro Bildpunkt (Pixel) erwartet. Neben einer vollständigen geologischen Charakterisierung von Ceres und Vesta und der Erzeugung eines geodätisch präzisen Bildkartenwerks von jeweils mindestens 80 Prozent der Fläche der beiden Asteroiden steht auch die Ermittlung ihrer Topographie, im Vordergrund:

Abbildung 2: Blick in das Kamerateleskop. Auf der Raumsonde ist die Kamera aus thermischen Gründen vollständig eingekleidet.

(Bild: MPS

Neben den deutschen Kameras befinden sich zwei weitere wissenschaftliche Instrumente an Bord: Das Spektrometer des IFSI Institutes in Italien, das die mineralogische Zusammensetzung der Asteroidenoberflächen im sichtbaren Licht und nahen Infrarot bestimmen wird, sowie das Gammstrahlen-Neutronen-Spektrometer GRaND (Gammy-Ray and Neutron Detector) der National Laboratories in Los Alamos (USA, New Mexico). Außerdem wird der vom Schwerefeld der beiden massiven Körper minimal beeinflusste Funkverkehr zwischen der Sonde und der Erde auf winzige Veränderungen analysiert, um Informationen über das Gravitationsfeld der beiden Körper zu erhalten.

Dawn ist eine »Discovery« Mission: Preisgünstig und schnell

Dawn ist Bestandteil des 1992 von der NASA aufgelegten so genannten »Discovery« Programms, das der Wissenschaft die Möglichkeit gibt, mit relativ preisgünstigen und innovativen Missionen die Rätsel in unserem Sonnensystem zu lösen. Dawn ist die neunte Discovery-Mission, zu der auch die Merkursonde Messenger oder Stardust, Deep Impact, Mars Pathfinder oder Lunar Prospector gehören. Der Gesamtaufwand für Dawn beträgt inklusive Start und Betriebskosten etwa 320 Millionen Euro; der deutsche Beitrag beläuft sich auf etwa vier Prozent dieser Summe.

Die Mission wird vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena (Kalifornien) im Auftrag der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA) durchgeführt. Die wissenschaftliche Leitung liegt bei Professor Christopher Russell von der UCLA. Aus Deutschland sind Wissenschaftler aus mehreren Instituten und Universitäten beteiligt.

Weitere Informationen

Dr. Horst Uwe Keller (Projektleiter Framing Camera)
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Max-Planck-Str. 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel.: 05556-979-419
Mobil: 0171-5263274
Email: kellermps.mpg.de

Dr. Holger Sierks (Projektmanager Framing Camera)
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Max-Planck-Str. 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel.: 05556-979-242
Mobil: 0171-6549339
Email: sierksmps.mpg.de

Prof. Dr. Ulrich Christensen Dawn Teammitglied
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Max-Planck-Str. 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel.: 05556-979-542
Email: christensenmps.mpg.de

Links

Dawn am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau
DLR-Institut für Planetenforschung
Dawn Projekt-Homepage an der Universität von Kalifornien Los Angeles (UCLA)
Dawn Missions-Homepage am Jet Propulsion Laboratory (JPL)