Forschungsmission zum Pluto
Die NASA plante bereits seit Anfang der 1990er unter dem Namen Pluto Kuiper Express bzw. vormals Pluto Fast Flyby eine Mission zum Pluto. Diese sollte unter Leitung des Southwest Research Institute durchgeführt werden. Dabei wurde betont, dass eine Mission möglichst schnell starten sollte, um den Pluto zu erreichen, bevor seine dünne Atmosphäre ausfriert. Dies hängt damit zusammen, dass die Umlaufbahn des Pluto stark elliptisch ist und der Planet 1989 seinen nächsten Sonnenpunkt erreicht hat und sich nun von der Sonne entfernt. Erst im Jahr 2247 wird Pluto seinen nächsten Sonnenpunkt wieder erreichen.
Doch die ersten Konzepte der Mission scheiterten an technischen Schwierigkeiten und Finanzierungsmangel und wurden 2001 durch die Mission New Horizons ersetzt. Die Sonde ist nun (2005) fertiggebaut und befindet sich in der Startvorbereitungsphase. Der früheste Starttermin ist der 11. Januar 2006. Die geplante Flugdauer beträgt etwa zehn Jahre, der Vorbeiflug an Pluto und Charon soll frühestens im Juli 2015 stattfinden. Es sollen globale Karten des Planeten und seines Mondes erstellt, Hochauflösungsfotos mit bis zu 25 m pro Pixel Auflösung gewonnen, die Temperaturverteilung gemessen und die Atmosphäre des Pluto studiert werden. Geplant ist, die Sonde in 9.600 km Entfernung an Pluto und in 27.000 km Entfernung an Charon vorbeifliegen zu lassen.
Missionsdaten
Rakete: Atlas V
Startrampe: Complex 41 in Cape Canaveral
11.01.2006: Geplantes Startdatum
04.02.2006: Clyde Tombaugh (Plutos Entdecker), 100. Jahrestag (geb. 1906)
14.02.2006: Letzte Startmöglichkeit (nächtes Startfenster: 2. - 15.02.2007)
February 2007: Ankunft im Jupiter-System
July 2015: "New Horizons" erreicht Pluto und Charon
~ 2016: Ankunft im Kuiper-Gürtel
~ 2020: "New Horizons" verlässt den Kuiper-Gürtel
New Horizons
New Horizons ist eine NASA-Raumsonde des New Frontiers Programms, die den Planeten Pluto sowie seinen Mond Charon erforschen soll. New Horizons ist die erste Raumsonde überhaupt, die Pluto aus der Nähe untersuchen soll. Der Start ist derzeit für den 11. Januar 2006 geplant, mit einem Swing-by-Manöver im Februar 2007 am Jupiter und dem Vorbeiflug an Pluto und dessen Mond Charon im Juli 2015. Danach soll die Sonde weiter in den Kuipergürtel fliegen und nach Möglichkeit an mindestens einem Objekt des Kuipergürtels vorbeifliegen.
Das Projekt wird vom Applied Physics Labority der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, USA geleitet. Die Kosten des Projekts inklusive der Trägerrakete und der Missionsdurchführung betragen etwa 650 Millionen Dollar.
1 Ablauf der Mission
Bereits seit Anfang der 1990er gab es Bestrebungen, eine Mission zu Pluto, dem einzigen bisher nicht aus der Nähe untersuchten Planeten, zu starten. Dabei wurde betont, dass eine Mission möglichst schnell starten sollte, um den Pluto zu erreichen, bevor seine dünne Atmosphäre ausfriert. Dies hängt damit zusammen, dass die Umlaufbahn des Pluto stark elliptisch ist und der Planet 1989 seinen nächsten Sonnenpunkt erreicht hat und sich nun von der Sonne entfernt. Erst im Jahr 2247 wird Pluto seinen nächsten Sonnenpunkt wieder erreichen. Doch die ersten Konzepte der Mission (Pluto Fast Fly-By, Pluto Kuiper Express) scheiterten an technischen Schwierigkeiten und Finanzierungsmangel. Ende 2000 gab es mit New Horizons einen neuen Vorschlag einer Pluto-Mission. Schließlich wurde am 29. November 2001 New Horizons als erste Mission des neu geschaffenen New Frontiers Programms zur Realisierung genehmigt.
Die Instrumente der Sonde wurden zwischen Juli 2004 und März 2005 ausgeliefert, der Zusammenbau und Tests liefen von August 2004 bis Mai 2005. Vom Mai bis September 2005 wurde die fertiggebaute Sonde ausgiebig getestet, am 24. September 2005 erfolgte der Transport zum Cape Canaveral, dem Startplatz.
New Horizons in der Montagehalle
1.1 Start
New Horizons soll im Januar 2006 mit einer Atlas V(551) Rakete gestartet werden. Obwohl dieses Raketenmodell eine der derzeit stärksten Trägerraketen der Welt darstellt, muss die Rakete mit einer zusätzlichen Star-48B Stufe ausgestattet werden, um die Sonde auf eine hohe Fluchtgeschwindigkeit beschleunigen zu können. New Horizons wird die Erde mit der höchsten je dabei erreichten Geschwindigkeit verlassen (12,81 km/s mit Jupiter Swing-By und 12,884 km/s ohne).
Das Startfenster öffnet sich am 11. Januar und bleibt bis zum 14. Februar bestehen. Allerdings ist nur in den ersten 23 Tagen des Startfensters ein Vorbeiflug am Jupiter möglich, die letzten 12 Tage erlauben nur einen direkten Flug zu Pluto, was die Flugzeit um etwa drei Jahre verlängert und die Menge des mitführbaren Treibstoffes um 20 kg reduziert. Sollte die Sonde 2006 nicht gestartet werden können, gibt es zwischen dem 2. Februar 2007 und 15. Februar 2007 ein weiteres Startfenster, das aber ebenfalls nur einen direkten Flug zu Pluto mit den entsprechenden negativen Konsequenzen erlaubt.
1.2 Vorbeiflug am Jupiter
Sollte die Sonde in den ersten 23 Tagen des 2006 Fensters gestartet werden, wird sie im Februar/März 2007 einen Swing-by-Manöver am Jupiter durchführen und dabei das Jupiter-System und seine Magnetosphäre etwa vier Monate lang studieren. New Horizons wird drei mal näher als Cassini-Huygens am Jupiter vorbeifliegen, mit der größten Annäherung bei etwa 38-39 Jupiterradien. Auch ein naher Vorbeiflug an einem der Galileischen Monde des Jupiters ist möglich, allerdings hängen die exakten Daten des Jupiter-Vorbeiflugs vom Startdatum der Sonde ab. Beim Passieren des Jupiters wird die Sonde auf eine Flugbahn zum Pluto umgelenkt, wobei sie um etwa 2,5° aus der Ekliptik herausgeschleudert wird. Auf dem Weg zum Pluto ist auch ein Vorbeiflug an einem Zentaur-Objekt möglich, vorausgesetzt ein geeignetes Ziel wird gefunden und ist für die Sonde erreichbar.
1.3 Pluto und Kuipergürtel
Die genaue Ankunftszeit am Pluto ist sehr vom Startdatum der Sonde abhängig. Beim Start der Sonde 2006 mit anschließendem Swing-By am Jupiter schwankt die Ankunftszeit abhängig vom Starttag zwischen Juli 2015 und 2017. Sollte die Sonde 2006 starten und auf einer direkten Route zu Pluto fliegen, wird sie zwischen 2018 und 2020 ihr Ziel erreichen, bei einem Start 2007 findet der Vorbeiflug zwischen 2019 und 2020 statt.
Die Beobachtungen des Pluto-Charon Systems beginnen sechs bis vier Monate vor der größten Annäherung, 12 Wochen vor dem Vorbeiflug wird das beste Auflösungsvermögen des Hubble-Teleskops übertroffen. Es sollen globale Karten von Pluto und Charon erstellt, Hochauflösungsfotos mit bis zu 25 m pro Pixel Auflösung gewonnen, Temperaturverteilung gemessen und die Atmosphäre des Pluto studiert werden. Es ist geplant, die Sonde in 9.600 km Entfernung an Pluto und in 27.000 km Entfernung an Charon vorbeifliegen zu lassen. Allerdings sind dies nur Zielparameter, die leicht während des Flugs geändert werden können. Zwei Wochen nach dem Vorbeiflug werden die Beobachtungen beendet und die Sonde beginnt die zuvor gesammelten Daten zur Erde zu übermitteln. Da die Übertragungsgeschwindigkeit über diese Entfernung sehr gering ist, werden einige Monaten vergehen, bevor alle Daten auf der Erde eingetroffen sind.
Nach dem Vorbeiflug am Pluto wird die Sonde ihre Reise aus dem Sonnensystem hinaus fortsetzen und dabei durch den Kuipergürtel fliegen, wo zwischen 2016 und 2020 Vorbeiflüge an einem oder zwei Kuipergürtel-Objekten mit einer Größe von durchschnittlich 40-90 km Durchmesser möglich sind. Die genauen Ziele dafür müssen jedoch erst gefunden werden und werden erst in der nächsten Dekade festgelegt. Schätzungen gehen davon aus, dass die Sonde bis etwa 2025 genug Energie zu Verfügung haben wird, um Beobachtungen dieser Objekte durchzuführen.
2 Technik
2.1 Struktur
Die Sonde hat die Form eines Dreiecks mit einem zylinderförmigen Radioisotopengenerator (RTG), der an einer Spitze des Dreiecks angebracht ist. Außerdem verfügt die Sonde über eine 2,5 m Parabolantenne zur Kommunikation mit der Erde, befestigt an einer Seite des Dreiecks. Die Gesamtmasse inklusive Treibstoff beträgt 465 kg bei einem Flug mit einem Swing-By am Jupiter und 445 kg bei einem direkten Flug zu Pluto. Die Differenz betrifft nur die Menge des mitgeführten Treibstoffs und ergibt sich aus der Tatsache, dass die Trägerrakete bei einem direkten Start zum Pluto höhere Endgeschwindigkeit erreichen muss und so weniger Nutzlast befördern kann.
Die Kommunikation mit der Erde erfolgt über die 2,5 m Parabolantenne der Sonde, die Datenübertragungsgeschwindigkeit mit einer 70 m Antenne des Deep Space Networks beträgt beim Pluto 768 Bit pro Sekunde (am Jupiter noch 38 Kbit pro Sekunde). Wegen der sehr langsamen Datenrate müssen die am Pluto gewonnenen Daten zwischengespeichert werden, bevor sie in monatelangen Kommunikationssessions zur Erde gelangen. Dafür verfügt die Sonde über zwei Flash-Recorder mit jeweils 8 GByte Speicherkapazität. Zur Navigation werden Sternkameras verwendet. New Horizons kann sowohl 3-Achsen-stabilisiert als auch spinstabilisiert betrieben werden. Für Kurskorrekturen hat die Sonde Hydrazin an Bord, die damit erreichbare Geschwindigkeitsänderung nach dem Start beträgt ca. 400 m/s (minimal waren 290 m/s vorgesehen).
2.2 Energieversorgung
Die Energieversorgung der Sonde erfolgt durch einen mit etwa 11 kg Plutonium 238 gefüllten Radioisotopengenerator. Die Kapseln mit Plutonium werden vom Los Alamos National Laboratory hergestellt und an NASA geliefert. Jedoch wurden Mitte 2004 alle Arbeiten des Los Alamos National Laboratory, u.a. auch an dem Plutonium für New Horizons, gestoppt, da festgestellt wurde, dass angeblich einige Disks mit geheimen Informationen verschwunden sind. Dadurch wurde das gesamte New Horizons Projekt in Gefahr gebracht, da bei einer unzureichender Energieversorgung die Sonde keine oder nur eingeschränkte Beobachtungen durchführen könnte. Die Sicherheitsprobleme des Los Alamos National Laboratory konnten jedoch nach einiger Zeit gelöst werden und die Arbeiten an den Plutoniumkapseln wurden wieder aufgenommen. Bis Anfang 2005 wurden die hergestellten Kapseln geliefert und in die Sonde eingebaut, allerdings ist nicht bekannt wieviele Kapseln tatsächlich geliefert wurden. Ursprünglich war geplant, dass mit voller Plutonium-Ladung die Leistung des Generators beim Start 285 W und 225 W beim Pluto-Vorbeiflug im Jahr 2015 betragen wird (Senkung der Leistung aufgrund von Zerfall des Plutoniums). Heutige Angaben sprechen von etwa 192 W Leistung beim Vorbeiflug am Pluto. Jedoch ist dies für einen normalen Betrieb der Sonde am Pluto ausreichend (mindestens 165 W sind nötig) und kann die Sonde sogar bis etwa ins Jahr 2025 am Leben erhalten.
2.3 Instrumente
Die Sonde trägt sieben wissenschaftliche Instrumente, die im Folgenden beschrieben werden. Dabei werden einige Instrumente in Gruppen zusammengefasst: so enthält Pluto Exploration Remote Sensing Investigation (PERSI) die Instrumente Ralph und Alice und Particle Spectrometer Suite (PAM) die Instrumente SWAP und PEPSSI.
Ralph
Ralph soll sowohl hochauflösende farbige Karten der Oberflächen des Plutos und Charons erstellen, als auch die Zusammensetzung der Oberflächen beider Körper kartieren. Dazu verfügt das Instrument über ein 6-cm Teleskop, dessen eingesammeltes Licht zu zwei getrennten Kanälen geleitet wird: dem Multispectral Visible Imaging Camera (MVIC) und dem Linear Etalon Imaging Spectral Array (LEISA). Dabei arbeitet MVIC im sichbaren Lichtbereich und LEISA im infraroten Bereich bei 1,25-2,50 µm Wellenlänge. Die Auflösung des MVIC beträgt 20 µrad, des LEISA 62 µrad.
Alice
Ein Ultraviolett-Spektrometer zur Untersuchung der Atmosphäre von Pluto. Es ist eine weiterentwickelte Version des Alice-Instrumentes der europäischen Rosetta-Sonde, das ebenfalls von den USA bereitgestellt wurde.
LORRI (Long Range Reconnaissance Imager)
Eine hochauflösende CCD-Kamera für sichtbares Licht, die an einem 20,8-cm Teleskop montiert ist. Das Instrument verfügt über ein sehr einfaches Design, es gibt keine Filter oder bewegliche Teile. Bei dem nahen Vorbeiflug am Pluto wird LORRI Strukturen bis 100 m Größe auflösen können.
REX (Radio Experiment)
Ein Radiowellenexperiment, das mit der Hauptantenne der Sonde durchgeführt wird. Dazu werden nach dem Passieren des Plutos mit Hilfe von Antennen des Deep Space Networks Signale zu Sonde gesendet, die durch den Transit durch Pluto's Atmosphäre verändert werden und in diesem Zustand zu New Horizons gelangen. Die Signale werden gespeichert und später zurück zu Erde übertragen. Dadurch lässt sich die Zusammensetzung der Atmosphäre studieren.
SWAP (Solar Wind Analyzer around Pluto)
Ein Instrument mit dem geladene Teilchen des Sonnenwindes bis zu Energien von 6,5 KeV in der Nähe von Pluto gemessen werden. Dadurch lässt sich feststellen ob Pluto über eine Magnetosphäre verfügt, außerdem werden so Daten über die Atmosphäre gesammelt.
SWAP montiert auf New Horizons
PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Investigation)
Ein Ionen- und Elektronenspektrometer, der nach neutralen Atomen, die Pluto's Atmosphäre verlassen und vom Sonnenwind aufgeladen werden, suchen wird. Es werden Ionen mit Energien von 1-5000 KeV und Elektronen mit Energien von 20-700 KeV erfasst.
SDC (Studend-built Dust Counter)
Ein Instrument zur Messung von Staubpartikeln entlang der gesamten Flugroute. SDC wurde primär von Studenten des University of Colorado gebaut.
Quelle: Wikipedia.de
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