Pluto-Mission "New Horizons"

 

Lebensfeindliche kalte Welt, die Sonne (weißer Punkt rechts oben) ist weit weg, scheint tausend Mal schwächer als auf der Erde und sorgt nur noch für Temperaturen von rund minus 230 Grad. So ähnlich muss es aussehen, wenn man auf der Oberfläche des Kleinplaneten Pluto steht (links überm Atmosphärendunst Plutos großer Mond Charon). Nicht nur Stickstoff-Eis, sondern auch gefrorenes Methan dürfte sich auf Plutos Oberfläche abgelagert haben und trotz der geringen Sonneneinstrahlung jahreszeitlich verändern. Wie realistisch diese Szenerie tatsächlich ist, wird sich 2015 herausstellen, wenn die NASA-Sonde "New Horizons" am Pluto-System vorbeifliegt und eine Kartierung des Kleinplaneten zur Erde funkt.
Foto: ESO/L.Calcada

 

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Plutos Monde

 

16-01-2006

Update 21-07-2013

Fixe Sonde zum fernen Pluto

Die NASA schickte mit „New Horizons“ erstmals eine Mission in den Kuiper-Gürtel

 

Von Christel Heybrock

 

Lange genug hatte es ja gedauert, das Hin und Her, ob die NASA wirklich zum Pluto oder lieber doch nicht ... vielleicht viel zu teuer und dabei nicht spektakulär genug ... und dann diese blöde Sache mit der Energieversorgung durch Plutonium, von dem ein Teil plötzlich weg war, und später entpuppte sich die Panne als dämlicher Fehler beim Zählen von Disketten und Beschriftungen!

 

Jede Mission ins All ist etwas Besonderes, obwohl sie auch ihre besonderen Pannen hat. Noch nie flog eine Sonde so schnell wie „New Horizons“ (16 km pro Sekunde). Noch nie wurde ein so fernes Ziel angesteuert: Wenn „New Horizons“ bei Pluto ankommt, ist die Erde fünf Milliarden km weit weg. Und noch nie befand sich die Menschheit vor der Situation, nun die letzten, entscheidenden und in gänzlich unbekannten Weiten angesiedelten Rätsel des Sonnensystems in Angriff zu nehmen. Pluto und der Kuiper-Gürtel. Eine Reise in sonnenferne Kälte und Dunkelheit, eine Reise zu Exoten mit verrückten Umlaufbahnen – in eine Region, von der wir bisher nur einen winzigen Bruchteil wahrnehmen konnten (allen jüngst dort entdeckten Himmelskörpern zum Trotz), geschweige denn, dass wir dort etwas wirklich kennen würden. „New Horizons“, wie wahr.

 


Die NASA-Sonde "New Horizons" und ihre Instrumente (der schwarze Zylinder rechts ist ein "Thermoelektrischer Radioisotopen-Generator" und sichert die Energieversorgung mittels Plutoniumzerfall - ein Sonnensegel hätte wegen der wachsenden Entfernung der Sonde zur Sonne nicht funktioniert). Das Instrument RALPH ist ein im sichtbaren Licht und im Infraroten arbeitender Spektrometer zur Oberflächen- und Temperaturkartierung. ALICE arbeitet im Ultravioletten und analysiert Zusammensetzung und Struktur von Plutos Atmosphäre - und, falls vorhanden, auch die Atmosphäre von Charon und anderer Kuiper Belt Objekte. REX (Radio Science Experiment) misst Zusammensetzung und Temperatur der Atmosphäre. LORRI (Long Range Reconnaissance Imager) ist eine Teleskop-Kamera, die hoch aufgelöste geologische Daten liefern soll. SWAP (Solar Wind Around Pluto) erforscht Reaktionen von Plutos Atmosphäre auf die immer noch hereinprasselnden Teilchen des Sonnenwindes. PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigator) misst Komposion und Dichte elektrisch geladener Teilchen (Ionen), die Plutos Atmosphäre verlassen. Und das SDC-Instrument schließlich (Student Dust Counter) wurde von Studenten entwickelt, um die Staubteilchen zu ermitteln, denen "New Horizons" auf der Reise durchs Sonnensystem ausgesetzt ist.
Foto: The Boeing Company

 

Besondere Ziele fordern besondere Anstrengungen. Die Sonde mit ihren sieben aufeinander abgestimmten Instrumenten vom Spektroskopen und den Kameras bis zum Staubdetektor und einer Zwei-Meter-Durchmesser-Antenne musste für die Reisedauer von rund einem Jahrzehnt extrem wetterfest gemacht werden: sowohl für Mikro-Impakte und hochenergetische Sonnenwind-Teilchen als auch für Temperaturen von –230 Grad, für zunehmende Dunkelheit, lange Kommunikationswege mit der irdischen Bodenstation und das Problem, dass die Bord-Energie nicht mit Solarauslegern bewältigt werden konnte – je länger der Flug, desto ferner die Sonne.

 

Pluto, als letzter Planet 1930 von dem Amerikaner Clyde Tombaugh am Lowell Observatorium entdeckt, umkreist die Sonne in einer mittleren Entfernung von knapp 6 Milliarden km und braucht dazu 248 Erdenjahre. Seine Bahn ist jedoch von geradezu unordentlicher Exzentrik, indem sie den Orbit des viel näher an der Sonne stehenden Gasriesen Neptun schneidet – alle anderen Planeten bewegen sich, statt auf derart kühner Ellipse, recht zivilisiert auf Beinahe-Kreisbahnen. Mit Neptun verbindet Pluto andererseits eine geheimnisvolle Harmonie, eine 2:3-Resonanz: Neptun hat just dreimal die Sonne umrundet, wenn zwei Plutojahre vergangen sind. Und Plutos Durchmesser von rund 2400 km kommt dem von Neptun-Mond Triton nahe. Was hatten der kleine ferne Felseisbrocken aus dem Kuiper-Gürtel und der gewaltige Neptun in grauer Vorzeit miteinander zu tun? War da was? Eine Kollision?

 

Dass Pluto, gerade mal zwei Drittel so groß wie der Erdmond, irgendwann einen gewaltigen Kick abbekommen haben muss, davon kündet nicht nur seine Ellipse um die Sonne, sondern auch sein Ausbüxen aus der ekliptischen Ebene um ganze 17 Grad, so vorwitzig ist nicht mal der um 7 Grad geneigte Merkur. Noch dazu liegt Plutos Rotationsachse total schief, mit 120 Grad Neigung hängt er schräg kopfunter. Dass so was Folgen hat für jahreszeitliche Veränderungen, wissen wir Erdbewohner nur zu gut, verdanken wir doch den Rhythmus von Winter und Sommer der Neigung der Erdachse um allerdings nur 23 Grad. Bei Pluto sind die Verhältnisse trotz der Sonnenferne ziemlich dramatisch und deuten auf ein komplexes, noch wenig erforschtes Geschehen hin. Seine Atmosphäre aus Stickstoff, Methan und Kohlenmonoxid ist zudem nach dem Perihel (dem sonnennächsten Punkt seiner Bahn) deutlich umfangreicher als im Aphel (der weitesten Entfernung von der Sonne). Wenn die Temperatur auf Plutos Oberfläche steigt, verdunsten Teile seiner Eisschicht und reichern die Atrmophäre an; wenn sie sinkt, fallen Stickstoff, Methan und Kohlenmonoxid als Eispartikel wieder auf die Oberfläche zurück, und dieser dynamische Prozess bewirkt, dass Plutos Atmosphäre rund 50 Grad wärmer ist als seine Oberfläche. Allein die Untersuchung dieser Prozesse wäre eine Mission wert, aber Pluto, am Nachthimmel der Erde ein mit bloßem Auge unsichtbares Lichtpünktchen, soll auch auf ein mögliches Ringsystem und auf seine Oberflächenstruktur hin untersucht und richtig kartiert werden.

 

Ebenso sein erst 1978 entdeckter Mond Charon, bei dem 2006 der Verdacht aufkam, auch er könnte eine Atmosphäre haben. Computersimulationen, an denen auch Principal Investigator Alan Stern vom South West Research Institute beteiligt war, deuteten 2008 darauf hin, dass Charon, genau zwischen Plutos Lagrange-Punkten 1 und 2 gelegen, seinem großen Bruder Teile der Atmosphäre wegreißt - ob er sie dauerhaft halten kann oder selbst wieder ins All verliert, ist eine bislang ungeklärte Frage. (Lagrange-Punkte sind Stellen in einem planetaren System, bei denen sich die Gravitationskräfte zweier Himmelskörper aufheben und ihre Wirkung verlieren. Im Fall von Pluto könnten diese gravitativen Schwachpunkte dazu führen, dassTeile seiner Atmosphäre entweichen.) Halb so groß wie Pluto (Charon hat einen Durchmesser von 1207 km), als Mond also ein gewaltiger Brocken, bildet Charon mit Pluto ein im Sonnensystem einmaliges Gespann durch „doppelt gebundene Rotation“. Das Paar wendet einander immer dieselbe Seite zu, wobei Charon am Plutohimmel auch stets an derselben Stelle steht. Während der 6,4 Tage einer Pluto-Rotation läuft Charon im selben Zeitraum um ihn herum, wobei sich beide um einen Massenschwerpunkt bewegen, der außerhalb von Pluto liegt. Auf Fotos des Weltraum-Teleskops Hubble (es arbeitet in 575 km Höhe im Erdorbit) wurden im Mai 2005, dreiviertel Jahr vor dem Start von "New Horizons" (am 19. Januar 2006) noch zwei weitere kleine Monde auf entfernteren Umlaufbahnen entdeckt, nämlich Nix (Durchmesser 40 km) und Hydra (Durchmesser 160 km). Pluto, Charon und die beiden Minimonde liegen zwar auf einer Ebene und stammen vielleicht alle aus demselben Zusammenstoß in der Frühzeit des Sonnensystems. Von der Erde aus sind sie aber extrem schlecht zu beobachten; Nix und Hydra haben nur ein Fünftausendstel der ohnehin schwachen Pluto-Helligkeit. „New Horizons“ wird also eine Menge zu tun haben.

 


Die bisher schärfsten Ansichten des Kleinplaneten Pluto, aufgenommen zwischen 2002 und 2003 vom Weltraumteleskop Hubble und in einer aufwendigen Computer-Bearbeitung perfektioniert. Die Ansichten zeigen dramatische Veränderungen auf Plutos Oberfläche über einen vergleichsweise kurzen Zeitraum und deuten darauf hin, dass der Kleinplanet alles andere als eine starre, tote Welt aus Eis und Gestein ist. Offenbar verdunstete Oberflächeneis am von der Sonne beschienenen Pol und setzte sich am andern Pol wieder ab. Bodenteleskope ermittelten zudem, dass Plutos Atmosphäre zwischen 1988 und 2002 auf das Doppelte anschwoll - Folge seiner Umlaufbahn, die ihn 1989 zum sonnennächsten Punkt geführt hat: Bei äußerster Sonnennähe (Perihel) ist Pluto immer noch fast dreißig Mal soweit von unserem wärmenden Stern entfernt wie die Erde.
Foto:
Hubblesite Newscenter/NASA, ESA, SWRI

 

Nachdem die Sonde 2007 zum Flyby am Jupitersystem geweckt worden war und 2008 die Umlaufbahn von Saturn kreuzte, saust „New Horizons“ im kontrollierten Winterschlaf Jahre lang weiter, bis die letzten fünf Monate vor dem Encounter mit Pluto im Sommer 2015 angebrochen sind. Das Team der Bodenstation hat während der scheinbar ereignislosen langen Reise freilich permanent zu tun mit Planungen, Software-Updates und  Überwachungsfunktionen, denn auch im "Schlaf"modus (Safe mode) piepst die Sonde regelmäßig ein Signal zur Erde, aus dem entweder "alles in Ordnung" oder aber eine Störung des Bordsystems zu entnehmen ist. Zu den geringsten Aufgaben gehört, dass die 2,10-Meter-Antenne an Bord der Sonde mehrmals im Jahr neu auf die Erde ausgerichtet werden muss - weil nämlich die Erde auf ihrem Lauf um die Sonne dauernd ihre Position verändert, der Kontakt zur Sonde aber nicht abreißen darf. Zu diesem Manöver muss "New Horizons" natürlich immer mal geweckt werden, was sich mit anderen Korrekturen und Computerbefehlen verbinden lässt.

 

Ziemlich alarmiert war das Team um Principal Investigator Alan Stern, seit das Hubble-Weltraumteleskop außer Charon, Nix und Hydra noch zwei weitere Monde um Pluto entdeckt hat. Es besteht die Befürchtung, dass die mit einer Geschwindigkeit von mehr als 48.000 kmh an Pluto vorbeifliegende Sonde durch unbekannte Brocken beschädigt werden könnte, die dort sonst noch herumfliegen. Inzwischen haben die fleißigen Leute auf der Erde mehrere Ausweichbahnen für "New Horizons" ausgetüftelt, sogenannte SHBOTs (=Safe Haven by Other Trajectories), in die sich die Sonde immer noch steuern lässt, sobald sie Anzeichen drohender Gefahren zur Erde funkt. Eine Vorsichtsmaßnahme könnte auch einfach darin bestehen, dass man die große Antennenschüssel der Sonde als Schutzschild gegen heranfliegende Staubpartikel nutzt (sogenannte ATR-Konfiguration, Antenna-to-Ram), was voraussetzt, dass die Bodenstation die Sonde entsprechend dreht. Projektwissenschaftler Hal Weaver von der John Hopkins Universität gab allerdings im Juni 2013 Entwarnung: Es hätte sich in einer über anderthalb Jahre erarbeiteten Studie über mögliche Impaktrisiken herausgestellt, dass die Gefahr wohl überschätzt worden sei und man bei der bisher geplanten Reiseroute von "New Horizons" bleiben könne.

 

Dem fernen Kleinplaneten Pluto (um dessen Rangordnung ein nicht enden wollender Streit entbrannt ist, seit die Internationale Astronomie Union ihn 2006 vom angeblich zehnten Planeten des Sonnensystems zum Zwerg herabstufte) soll „New Horizons“ sich schließlich bis auf 12.000 km nähern, wenn alles gut geht. Pluto und Charon erscheinen auch der Sonde zunächst nur als Lichtpunkte, die zur Orientierung dienen, aber Aufnahmen und Daten sollen bereits drei Monate vor der engsten Begegnung die des Weltraumteleskops Hubble übertreffen, das im Februar 2010 erneut eine wichtige Entdeckung zum Pluto-System lieferte: Es wurden Aufnahmen veröffentlicht, die über einen Zeitraum von 13 Monaten zwischen 2002 und 2003 von Hubble gemacht worden waren und am Southwest Research Institute in Boulder/Colorado über vier Jahre mithilfe von 20 Computern aufgearbeitet wurden. Die Aufnahmen lassen dramatische jahreszeitliche Veränderungen auf Plutos Oberfläche erkennen. Im Vergleich zu Hubble-Aufnahmen von 1994 wird deutlich, dass Stickstoff-Eis je nach Sonneneinstrahlung großflächig zwischen den Polen herum“wandert“ – erstaunlich bei einem Himmelskörper, dessen Oberflächentemperatur aufgrund der Sonnenferne ohnehin nur wenig schwankt. Aber die Hubble-Fotos ergeben mittlerweile eine richtige Pluto-Landkarte, die von „New Horizons“ „nur“ noch verbessert werden kann: Die schwarzen, weißen und orangefarbenen Flecken geben bereits wichtige Hinweise auf die Partien, denen sich die Sonde ganz besonders widmen muss.

 


"New Horizons" im Anflug an den rötlich gefleckten Pluto und seine Monde Charon (unten), Nix und Hydra (kleine graue Punkte oberhalb von Pluto). Die 650 Millionen Dollar teure NASA-Sonde startete im Januar 2006 und soll im Sommer 2015 endlich ihr Ziel erreichen - trotz der langen Reise ist "New Horizons" die schnellste Sonde, die bisher losgeschickt wurde. Das Bild ist eine künstlerische Darstellung: So könnte der Anflug aussehen für einen Beobachter, der in der Nähe der fixen Sonde im All schwebt.
Foto: NASA/John Hopkins University/Southwest Research Institute

 

Am meisten Arbeit hat „New Horizons“ 12 Stunden vor bis 12 Stunden nach der engsten Annäherung, die selbst nur eine halbe Stunde dauert, aber richtig spannend sind für das relativ kleine Team der Bodenkontrolle bereits die neun Tage "core encounter", sieben Tage vorher und zwei Tage nachher. Die Sonde fliegt Pluto von dessen Südhälfte her an, die im Tageslicht liegt, und fegt um ihn herum auf die Nachtseite, von wo sie im Streulicht Charons besonders den Dunst, die Oberflächenrauigkeit und ein eventuelles Ringsystem bei Pluto beobachten kann. Die Aufnahmen von der Oberfläche werden eine Qualität haben, wie man sie sonst nur vom Erdbeobachtungssatelliten LandSat kennt: mit 25 Meter Auflösung.

 


Grafische Übersicht über die Reiseroute von "New Horizons": Die inneren terrestrischen Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars sind auf ein sonnengelbes Pünktchen im Zentrum geschrumpft, die Sonde hat bereits die Umlaufbahnen von Jupiter und Saturn geschnitten und steuert die Überquerung der Bahnen von Uranus und Neptun an, um 2015 an Pluto vorbeizufliegen. Die Grafik zeigt den "Standort" von New Horizons am 10. Februar 2010 um 3 Uhr Universal Time (= 4 Uhr Mitteleuropäische Zeit); die grüne Linie bezeichnet die bereits zurückgelegte Strecke, die rote Linie deutet die zukünftige Bahn an. Dank einer speziellen Software wird die Darstellung stündlich aktualisiert. (Siehe http://www.pluto.jhuapl.edu/mission/whereis_nh.php)
Grafik
: Analytical Graphics, Inc.

 

Nach der Begegnung mit Pluto wird es neun Monate dauern, bis alle Daten zum Deep Space Network der NASA auf der Erde übermittelt sind: Ein simples Signal vom Plutosystem zur Erde ist viereinhalb Stunden unterwegs. Anschließend soll „New Horizons“ in einer „extended mission“ weiterfliegen und wenige Jahre später einen anderen Bewohner des Kuiper-Gürtels besuchen. Bis zu einer Entfernung von 55 Astronomischen Einheiten (1 AE ist die mittlere Entfernung zwischen Erde und Sonne = 150 Millionen km) kann die Sonde Signale von der Erde empfangen und zur Erde senden – Pluto ist durchschnittlich ja nur 32 AE entfernt. Energieversorgung und Instrumente könnten sogar bis in die 2030er Jahre halten, wenn nichts Unvorhergesehenes passiert. „New Horizons“, die auf einer CD die Namen von 435.000 Erdbewohnern davonträgt, wird nicht zurückkehren. Sie wird irgendwann den äußersten Rand des Sonnensystems überfliegen und sich in den Weiten des Alls verlieren. Uns wird sie hinter sich lassen mit neuen Erkenntnissen über die Welt, in der wir leben und von der wir bislang nicht viel mehr als Bruchstücke verstehen.

 

Noch etwas, was mit dem Start von "New Horizons" zu tun hatte, wird  übrigens ohne Wiederkehr durchs All sausen: es sind die zweite und dritte Stufe der Atlas V-Rakete, mit der die Sonde am 19. Januar 2006 die Gravitation der Erde überwand. Die erste Stufe hat nie die Höhe einer Erdumlaufbahn erreicht. Wenige Minuten nach dem Start fiel sie auf die Erde zurück. Mit der zweiten Oberstufe, der Centaur, die erneut gezündet wurde, konnte die Sonde mitsamt der dritten Oberstufe (STAR-48) bereits den Erd-Orbit verlassen. Nur Sekunden danach löste sich die Centaur aus dem Ensemble und fliegt nun als einsamer Brocken in einer Bahn zwischen Erde und Asteroidengürtel um die Sonne - für einen Umlauf braucht sie 2,83 Erdenjahre. Die dritte Stufe jedoch, die STAR-48, brachte die Sonde durch eine neuerliche kräftige Treibstoff-Zündung (84 Sekunden) auf Pluto-Kurs, bevor auch sie sich abtrennte. Zwar sausen "New Horizons" und STAR-48 beide in Richtung Pluto, aber ihreWege werden immer weiter auseinander driften, weil zwar die Sonde, nicht aber die Raketenstufe, durch Kurskorrekturen von der Erde aus beeinflusst werden kann. Womöglich wird die STAR-48 in ferner Zukunft, ähnlich wie die Voyager-Sonden, das Sonnensystem verlassen, unbemerkt von uns Erdlingen, denn eine ausgebrannte Raketensufe transportiert natürlich keine Instrumente mehr, die einen Funkkontakt ermöglichen würden.

 

Infos:

http://pluto.jhuapl.edu

Eine 40-seitige Broschüre im PDF-Format („press kit“) gibt hervorragende, detaillierte Informationen zu Instrumenten, Kommunikation, Trajektorie und Energieversorgung. „New Horizons“ ist die erste Mission des neuen NASA-Programms „New Frontiers“, das mit der Jupiter-Mission „Juno“ fortgesetzt werden soll.
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