Die ESA-Sonde "Venus Express"

 


Die beiden Hemisphären der Venus in einer künstlerischen Darstellung der Oberflächenstrukturen bei charakteristisch roten Lichtverhältnissen. Die Ansichten gehen zurück auf die Daten der NASA-Sonde Magellan, die mittels Radar erstmals eine Kartierung erstellen konnte. Die Südpolregion blieb dabei weiter unerforscht.
Foto: NASA

 


Die ESA-Sonde "Venus Express" mit den sieben Instrumenten und den ungewöhnlich kurzen Sonnensegeln. MAG (Magnometer) erforscht die Tatsache, dass die Venus kein eigenes Magnetfeld und damit keinen der Erde vergleichbaren Schutz vor dem aggressiven Sonnenwind hat. VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) erforscht die Zusammensetzung der unteren Atmosphäre. PFS (High Resolution Infrared Fourier Spectrometer) sollte höhere Atmosphäreschichten, aber auch Oberflächentemperaturen mit Höchstpräzision messen - das Instrument funktioniert aber nicht. SPICAV/SOIR (UV and IR Spectrometer for solar/stellar occultations and Nadir Observations) sucht nach Wasser, Schwefel und molekularem Sauerstoff und erforscht Dichte und Temperatur in 80 bis 180 km Höhe. VMC (Venus Monitoring Camera) ist eine Weitwinkelkamera zur Dokumentation sowohl der Oberfläche als auch der Wolkenformationen. VeRa (Venus Radio Science) wird unter anderem genutzt zur Erforschung von Masse, Dichte, Temperatur und Atmosphärendruck bis zu 100 km Höhe. Und schließlich ASPERA (Analyser of Space Plasma and Energetic Atoms) untersucht die spannende Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und Venus-Atmosphäre.
Foto: ESA

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Der letzte Stand:
Venus Express 2014 in der Endphase

Ursprünglich sollte die Mission nur anderthalb Jahre dauern. Nach etlichen Verlängerungen sind es nun fast neun geworden - nach der letzten Extension bis Dezember 2014 ist es aber endgültig aus, und bevor die Sonde in der dicken Venus-Atmosphäre verglüht, soll auch ihr Todestanz noch einmal wissenschaftlich genutzt werden. Die ESA-Wissenschaftler haben ein präzises Aerobreaking-Programm ausgetüftelt, das nicht nur letzte Informationen über die Atmosphärenstrukturen unseres Nachbarplaneten liefern, sondern zugleich als Test für den Rover der Mission ExoMars dienen soll (geplanter Start 2016/2018). Aerobreaking wird zwar gemeinhin genutzt, um eine Landemission stufenweise in der Atmosphäre eines Himmelskörpers abzubremsen, damit der Lander weich auf dem fremden Boden aufsetzen kann, aber Venus Express, ohnehin am Ende ihrer Energievorräte angekommen, wird danach sterben - sie soll aus der prekären Lage noch einmal Daten zur Erde funken. Der Vorgang ist so kompliziert, dass zwei Teams am Darmstädter Satelliten-Kontrollzentrum ESOC, die mit den abenteuerlichen Flugkünsten der Sonde schon einige Herausforderungen gewohnt waren, ein ganzes Jahr lang getüftelt und zusätzlich eine Simulation entwickelt haben, die am 18. Mai 2014 gestartet wurde und einen Monat dauerte.

Zum Zeitpunkt 18. Mai flog die Sonde innerhalb von 24 Stunden in einem Venus-Orbit von 66.000 km Höhe überm Südpol und 190 km Höhe überm Nordpol. Die Spezialisten vom ESOC-Operations-Team senkten nun die 190 km Höhe stufenweise ab und registrierten eine Überraschung: Die Atmosphärendichte in diesem Bereich war dreimal höher als je zuvor gemessen, zwischen 165 und 130 km Höhe stieg die Dichte sogar um den Faktor 1000 - die Venus-Atmosphäre scheint noch turbulenter und komplexer in ihrer Dynamik als angenommen. Seit dem 18. Juni 2014 lief die heiße Phase bei einer Höhe von nur noch 130 km. Jedes Aerobreaking-Manöver war auf etwa zwei Stunden begrenzt, wobei die Solarpaddeln so ausgerichtet waren, dass sie den größtmöglichen "Luft"widerstand erfuhren. Dabei arbeiteten dann zwar die Instrumente, aber zusätzliche Energie über die Paddeln kam nicht zustande. Erst nach der Zweistundenphase konnten die Messdaten jeweils von der Bodenstation in Cebrerosabgerufen werden - dann ließ sich feststellen, ob die Sache geklappt hatte und in welchem Zustand die mittlerweile ziemlich malträtierte Sonde sich befand. Die Reibungshitze von kurzzeitig mehr als 100 Grad C hätte die gesamte Elektronik lahmlegen können, und wenn die Hochleistungsantenne ausgefallen wäre, hätte nicht einmal mehr Kontakt zur Erde bestanden, so dass die Sonde auch nicht mehr hätte gesteuert werden können. Die Höhe von 130 km und etwas darunter konnte dennoch bis 11. Juli 2014 als Limit gehalten werden: Das Ergebnis heute - es hat alles wunderbar geklappt, die Sonde hatte sogar noch genug Treibstoff, um sie mit 15 Zündungsmanövern und mehr als 8000 Pulsen auf 460 km Periapsis-Höhe und 63.000 km Apoapsis-Höhe anzuheben, immerhin wurden dabei 5,2 Kilo Treibstoff verbraucht. Nachdem die Orbitdauer durch den Atmosphärenzug zeitweise um eine Stunde verkürzt wurde, beträgt sie nach der Anhebung 22 Stunden und 24 Minuten. Nun wird "Venus Express" aber endgültig ihrem Schicksal überlassen. Bis Mitte Dezember 2014 sinkt sie, soweit möglich immer noch Daten sammelnd, durch die Gravitation der Venus von allein auf 100 km ab und wird dann durch die Reibung mit der dicken Atmosphäre verglühen.

Die Daten, die "Venus Express" gesammelt hat, dürften die Wissenschaft noch für Jahrzehnte beschäftigen. Auf die Erfahrungen von Aerobreaking im autonomen Sondenflug rund um einen fremden, von einer Atmosphäre umgebenen Planeten sind die Experten, die ExoMars vorbereiten, jetzt schon gespannt. Mit Aerobreaking können Treibstoffvorräte an Bord der jeweiligen Sonde eingespart werden, weil durch die Atmosphärenreibung die Notwendigkeit entfällt, die Sonde per Treibstoffzündung abzubremsen, aber die Mars-Atmosphäre ist  wesentlich anders, vor allem viel dünner, als die der Venus. Insofern muss auch bei ExoMars erst einmal getestet werden: 2016 startet zunächst ein Orbiter mit einem Landedemonstrator. Erst wenn dabei alles funktioniert, startet die komplette Mission 2018. 

Update 03-08-2014 hey

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Venus-Forschung und kein Ende

16-04-2006

Entstand das Inferno durch eine Katastrophe?

Die ESA-Sonde „Venus Express“ soll es aus dem Orbit unseres Schwesterplaneten herausfinden

 

Von Christel Heybrock

 

Venus, Göttin der Liebe. Schöner Abend- oder Morgenstern am Himmel über der Erde. Als im Dezember 1962 mit der US-Raumsonde Mariner 2 erstmals ein irdischer Körper in 35.000 Kilometer Entfernung an unserem geheimnisvoll leuchtenden Nachbarplaneten vorbeiflog, war nicht die geringste Oberflächenstruktur zu entdecken – und weder ein Magnetfeld noch ein Strahlungsgürtel oder Spuren von Wasserdampf, alles Dinge, die für die Erde selbstverständlich sind und unser Leben garantieren. Stattdessen entdeckte Mariner 2 höllische Temperaturen von 475 Grad C: Wasser kann es da gar nicht geben, es ist sogar aus dem Gestein der Venuskruste längst verdampft.

 

Im selben Jahr fanden die amerikanischen Astronomen Roland L. Carpenter und Richard M. Goldstein auch die Rotationsperiode der Venus heraus, und damit wuchsen die Rätsel. Auf ihrer Bahn um die Sonne ist Venus zwischen 260 Millionen und 40 Millionen Kilometer von der Erde entfernt; kein anderer Planet kommt uns zeitweilig so nah (was bei der Startfenster-Festlegung von Venus-Missionen einkalkuliert werden muss), kein anderer ist der Erde so ähnlich hinsichtlich seiner Größe und seines Schwerefeldes. Aber es war vorher nicht festzustellen, wie schnell sie sich überhaupt dreht - Venus ist in dicke Wolken eingehüllt, die keinen Blick auf die Oberfläche zulassen – ein Beobachter dort würde den Sternenhimmel nicht einmal ahnen. Carpenter und Goldstein schickten Mikrowellenstrahlung zur Venus und berechneten aus der Brechung der zur Erde reflektierten Wellen grob die Rotation: Sie beträgt, wie wir inzwischen genau wissen, 243 Erdentage. Für die Umrundung der Sonne braucht Venus aber nur 225 Tage – ein Jahr ist bei ihr kürzer als ein einziger Tag. Außerdem rotiert sie nicht nur extrem langsam, sondern auch verkehrt herum! Zwar ist ihre Bahn fast kreisförmig und damit die harmonischste aller Planeten, aber immerhin um mehr als 3 Grad gegen die Ekliptik geneigt.

 

Eher noch als die USA, nämlich seit 1961, hatten die Sowjets Sonden zur Venus geschickt, freilich zunächst ohne Erfolg. Immerhin konnte Venera 7 im Jahr 1971 weich landen und 23 Minuten lang Daten senden. Venera 8 schlug am 22. Juli 1972 auf dem Venusboden auf und funktionierte sogar 50 Minuten lang, bevor Temperatur und der im Vergleich zur Erde hundertmal so hohe Atmosphärendruck die Sonde zerstörten: Zeit genug, um die Wissenschaft unter anderem über die seltsame Tatsache zu informieren, dass die dicken Kohlendioxid- und Schwefelsäurewolken in der Höhe in nur drei bis vier Tagen um den höllenheißen, selber im Schneckentempo rotierenden Planeten herumsausen, während es am Boden fast windstill ist. Die giftige Atmosphäre ist derart dynamisch, dass sie über beiden Polen riesige Doppelwirbel bildet, von denen lange nur der Nordpolwirbel bekannt war.

 

Den ersten Anblick vom Venusboden funkten 1975 die Sowjetsonden Venera 9 und 10 zur Erde. Eine systematische Kartierung gelang aber erst zwischen 1990 und 1994 durch den vorerst letzten Besucher von der Erde, die NASA-Sonde Magellan, einen Orbiter, der die Venus in nur 250 Kilometer Höhe überflog und 90 % der Oberfläche mittels Radar abtastete; nur die Südpolregion konnte nicht erfasst werden. Seitdem stehen die Wissenschaftler vor neuen Rätseln: Krater, Berge (der Gipfel der Maxwell Montes erhebt sich auf elftausend Meter),  Hochplateaus und Tiefebenen sind überraschend jung. Dr. Ralf Jaumann, Spezialist für Planetengeologie beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof: „Alle heute sichtbaren Landschaftsformen sind jünger als 600 Millionen Jahre! Die Landschaft wurde komplett von Lavafluten aus riesigen Vulkanen neu gestaltet – niemand weiß, warum sich diese globale Katastrophe vor mehr als einer halben Milliarde Jahren ereignete.“

 

Was Magellan auch herausfand, ist womöglich der Schlüssel zu dieser Eruption: Venus hat keine Plattentektonik wie die Erde, auf der sich die Kontinente immer noch verschieben. Venus besteht aus einem einzigen starren Panzer, der sich unter enormen Spannungen aus dem Innern „nur“ aufwölbt, stellenweise reißt, vor allem aber in Vulkanen punktuell aufbricht. Der ganze Planet muss vor 600 Millionen Jahren gebebt haben, als ein solcher Ausbruch (in mehreren Serien?) passierte und die Oberfläche völlig neu gestaltete. Ist die Wolkendecke mitsamt ihren prägnanten Strukturen und ihrer Dynamik eine Folge dieser Katastrophe? Ist die retrograde Rotation eine Folge der Katastrophe oder wodurch kam die zustande? Ist Venus immer noch vulkanisch aktiv? Man rechnet mit rund 100.000 Schild- und Domvulkanen von 2 bis 200 Kilometer Durchmesser, die größten Vulkane mit einst enormen Lavaflüssen haben mehrere Hundert Kilometer Durchmesser. Könnte eine globale Katastrophe unter erneutem Druck aus dem Innern wieder ausbrechen? Tritt sie womöglich zyklisch auf?

 

Fragen über Fragen, nachdem mehr als 20 Raumsonden die Venus untersucht haben. Die jüngste nun ist die ESA-Sonde „Venus Express“, die am 9. November 2005 in Kasachstan startete und vor allem die Atmosphäre, aber auch deren Wechselwirkung sowohl mit dem Boden als auch mit dem Teilchenstrom der Sonne untersuchen soll. Auch die Frage, ob der Erde mit ihrem beginnenden Treibhauseffekt ein ähnliches Schicksal droht, steht hinter der Mission. Die mit sieben Instrumenten bestückte Sonde legte auf einem Flug von fünf Monaten rund 400 Millionen Kilometer zurück und wurde am 11. April 2006 in eine Venus-Umlaufbahn gesteuert. Schon aus dem neun Tage dauernden Anfangsorbit („capture orbit“, bei dem das Schwerefeld des Planeten die Sonde „einfängt“) kamen Aufsehen erregende Fotos von der bisher unbekannten Südpolregion:

 

Bereits am zweitenTag des "capture orbit" sandte "Venus Express" diese Ansichten der bisher nie gesehenen Südpolregion unseres heißen Nachbarplaneten. Demzufolge geht es am Südpol nicht weniger dramatisch zu als am Nordpol.
Foto: ESA

 

Durch mehrfache Zündungen des Haupttriebwerks wurde die Umlaufbahn der Sonde von zunächst 250 Kilometer Höhe überm Venusnordpol (das Perizentrum) und 350.000 Kilometer Höhe überm Venussüdpol (Apozentrum) allmählich auf eine kleinere Ellipse zwischen 250 und 66.000 Kilometer reduziert, damit die Sonde schließlich ihre nominelle Mission von gerade mal zwei Venus-Tagen (= 486 Erdentagen) aufnehmen konnte.

 

In Verbindung mit der Erde bleibt sie durch die neue ESA-Bodenstation im spanischen Cebreros, von der ihre Daten ans Steuerungszentrum ESOC in Darmstadt sowie an die wissenschaftliche Leitung (VSOC = Venus Express Science Operations Centre) im holländischen Noordwijk weiter geleitet werden. Die Sonde sammelt ihre Messdaten vor allem im jeweils anderthalbstündigen Perizentrum und nutzt das achtstündige Apozentrum zur Datenübertragung an die Erde. Alle 24 Stunden überfliegt sie den ganzen Planeten über den Polen. Wegen der großen Nähe zur Sonne (Venus ist nur rund 100 Millionen Kilometer davon entfernt) muss die mit einer reflektierenden Schutzhaut isolierte Sonde die doppelte Strahlungsmenge wie im Erdorbit aushalten; die elliptische Umlaufbahn wurde ebenfalls als Schutzmaßnahme auch für die Instrumente gewählt. Die Sonnennähe wirkt sich übrigens auch gravitativ aus – während des Apozentrums „zieht“ die Sonne den irdischen Satelliten jeden Tag um etwa anderthalb Kilometer von der Venus weg, so dass mit kleinen Triebwerksdüsen (thruster) alle 50 Tage die Flughöhe wieder gesenkt werden muss. Eine besondere Konstruktion erfuhren die energieversorgenden Sonnensegel: Sie sind nicht nur deutlich kürzer als bei der verwandten ESA-Sonde „Mars Express“, sondern ihre Sonnenzellen-Reihen wechseln sich auch ab mit Spiegelzellen-Reihen, damit die einfallende Sonnenenergie teilweise ins All zurückstrahlt.

 

Zu den Instrumenten gehören eine Kamera, ein Magnetometer und gleich drei Spektrometer. Das UV- und Infrarotspektrometer VIRTIS soll Hitzepunkte auf dem Boden ausmachen (die sich dann als Vulkane entpuppen könnten), aber auch die Wolkenschichten in einer Höhe zwischen 35 und 40 km kartieren, damit die ungewöhnliche Dynamik der Venus-Atmosphäre analysiert werden kann. In den ersten zehn Tagen soll VIRTIS zudem die ganze Südhalbkugel abscannen und chemisch-mineralogisch definieren. Das Gerät, das beim DLR in Berlin auch für die Kometensonde Rosetta konstruiert wurde, hat die Wissenschaftler bereits am ersten Tag des "capture orbit" begeistert mit seinen großartigen Aufnahmen der Südpolregion – der Wolken-Doppelwirbel überm Nordpol hat demnach tatsächlich das vermutete Wirbel-Pendant überm Südpol. Das hochauflösende Infrarot-Fourier-Spektrometer PFS, das Temperatur und Zusammensetzung der Atmosphäre in 55 bis 100 km Höhe, aber auch vulkanische Aktivitäten am Boden erfassen sollte, funktioniert leider nicht. Da aber das Zusammenspiel der "Venus Express"-Instrumente bewusst auf Überschneidungen angelegt ist, wird der Ausfall kompensiert, unter anderem durch VIRTIS.

 

Das Instrument MAG ( Magnetometer) setzt auf die Tatsache, dass die Venus kein selbst erzeugtes Magnetfeld hat. Während die Erde durch den Dynamo-Effekt ihres schwappenden flüssigen Kerns eine weit ins All reichende Magnethülle als Schutz gegen die aggressiven Teilcheneruptionen der Sonne hat, ist die Venus dem hochenergetischen Sonnenwind völlig ausgeliefert. MAG soll herausfinden, welche Auswirkungen diese Tatsache auf die Venus-Atmosphäre hat. In diese Analyse greift auch das Instrument ASPERA mit ein, das speziell die Wechselwirkung von Sonnenwind und Venus-Atmosphäre beobachtet: Es misst die vom Sonnenwind aus der Venus-Atmosphäre herausgeschlagenen und ins All entweichenden Ionen und Moleküle. Fast alle Instrumente beobachten sowohl bestimmte Wolkenschichten als auch die Bodenverhältnisse, denn zum Verständnis unseres unwirtlichen Schwesterplaneten ist es unerlässlich, das Ineinandergreifen dieser Bereiche zu erfassen. So kümmert sich VeRa zwar um Dichte, Temperatur und Atmosphärendruck in einer Höhe zwischen 35 und 100 km, aber auch um die elektrischen Eigenschaften der Oberfläche - beides ist wiederum dem Einfluss des Sonnenwindes ausgesetzt. SPICAV/SOIR sucht nach Wasserbestandteilen in der Atmosphäre, nach Schwefelverbindungen und molekularem Sauerstoff, und die VMC-Venuskamera soll einerseits den gesamten Planeten im Nahen Infrarot, Ultraviolett und im sichtbaren Licht erkunden, zugleich aber wieder die Dynamik der Wolken untersuchen. Das speziell für die Mission entwickelte Instrument hilft zusätzlich bei der Interpretation von Daten, die von den anderen Geräten gesammelt werden.

 

Ob „Venus Express“ allerdings Anzeichen primitiver Lebensformen findet, ist zweifelhaft. Vor einigen Jahren vermuteten Wissenschaftler der Universität Texas, es könne in den Wolken in rund 50 Kilometer Höhe ausgedehnte Lebensnischen für Bakterien geben, die bei „nur“ 70 Grad C und geringen Spuren von Wasserdampf das Sonnenlicht als Energiequelle nutzten und dabei die seltsamen dunklen Flecken produzierten, die auf UV-Bildern immer wieder auftauchen. Das freilich klingt nicht weniger exotisch als die strotzenden Urwälder, die sich menschliche Fantasie früher auf der Venus ausmalte. Aber irgendwann werden wir’s ja wissen ...

 

Info:

http://www.esa.int/SPECIALS/Venus_Express/

http://www.dlr.de/venus

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Venus_Express/Venus_Express_up_above_the_clouds_so_high

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