Raumfahrt

10 Jahre Mission Dawn

Ein gewaltiger Berg und ein salziger Zwerg - deutsche Kamera liefert fundamentale Erkenntnisse zur Planetenentstehung

Dienstag, 26. September 2017

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  • Wenn das die Weltraumraketen%2dPioniere Wernher von Braun oder Sergeij Koroljow wüssten! Die NASA%2dMission Dawn erreichte ihr Ziel nicht mit einem konventionellen Raketenantrieb, sondern mit einem Motor, der die Sonde mit einem gebündelten Strahl des ionisierten Edelgases Xenon langsam, aber stetig beschleunigte. Quelle: NASA/JPL%2dCaltech
    Das Ionen-Triebwerk der Dawn-Sonde

    Wenn das die Weltraumraketen-Pioniere Wernher von Braun oder Sergeij Koroljow wüssten! Die NASA-Mission Dawn erreichte ihr Ziel nicht mit einem konventionellen Raketenantrieb, sondern mit einem Motor, der die Sonde mit einem gebündelten Strahl des ionisierten Edelgases Xenon langsam, aber stetig beschleunigte.

  • Am 27. September 2007 startete die NASA-Mission Dawn zur Erforschung des Asteroiden Vesta und des Zwergplaneten Ceres.
  • Im Rahmen dieser Mission wurde zum ersten Mal eine Raumsonde in die Umlaufbahn zweier unterschiedlicher Körper im Sonnensystem gebracht.
  • Das DLR ist an der "Framing Camera" beteiligt, die die Oberflächen der beiden Körper erfasst sowie gleichzeitig als unerlässliches Hilfsmittel zur Navigation der Raumsonde dient.
  • Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Exploration

Vor zehn Jahren startete die NASA-Raumsonde Dawn zu einer Mission, die eine der aufregendsten und wissenschaftlich ergiebigsten in der Geschichte der Erforschung unseres Sonnensystems mittels Raumsonden werden sollte. Dawn erkundet gleich zwei Objekte des Asteroidengürtels, die zugleich seine massivsten sind: den Asteroiden Vesta und den Zwergplanet Ceres. Mit an Bord ist ein deutsches Kamerasystem, die "Framing Camera". Sie wurde vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, dem DLR-Institut für Planetenforschung und dem Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der Universität Braunschweig für die Mission entwickelt. Neben der wissenschaftlichen Auswertung der Aufnahmen ist das DLR verantwortlich für die Verarbeitung der Stereobilddaten zu globalen Kartenwerken und digitalen Geländemodellen der Oberflächen, aus denen die Topographie beider Körper in einer Genauigkeit von wenigen Metern abgeleitet wird.

Mit Dawn wurde eine Raumsonde zum ersten Mal in die Umlaufbahn zweier unterschiedlicher Körper unseres Sonnensystems gebracht. Ziel 1: der Asteroid Vesta mit etwa 500 Kilometer Durchmesser, Ziel 2: der Zwergplanet Ceres, mit knapp 1.000 Kilometer Durchmesser der größte Körper im Asteroidengürtel. Und obwohl die Erwartungen an die Mission längst erfüllt und übertroffen wurden, kann Dawn mit den verbliebenen Treibstoffreserven noch bis mindestens Mitte 2019 Ceres weiter erkunden. Beide Ziele, Vesta und Ceres, verblüffen das etwa 50-köpfige Wissenschaftsteam - darunter auch mehrere DLR-Forscher - mit einer Fülle von überraschenden und bedeutsamen Erkenntnissen, die Einblick in die Frühzeit des Sonnensystems geben.

Am 27. September 2007 wurde die tonnenschwere Forschungssonde vom amerikanischen Cape Canaveral ins All geschossen. Es ging zunächst vergleichsweise gemächlich weiter. Denn Dawn wurde aus der Erdumlaufbahn mit einem Ionentriebwerk beschleunigt. Im Gegensatz zum klassischen Raketenantrieb, der seinen Schub durch chemische Verbrennung erzielt, wird bei einem Ionenantrieb Edelgas durch elektrische Energie ionisiert. Die so geladenen Xenon-Ionen können in einem Magnetfeld gebündelt und gezielt ausgestoßen werden. Der dadurch erzeugte Rückstoß ist zwar nur schwach, dafür kann der Schub über Monate und Jahre aufrechterhalten werden.

Die drei Motoren an Bord von Dawn entwickeln eine Antriebskraft von 90 Millinewton, das ist nur etwa so stark wie bei einem zu Boden fallenden Blatt Papier. Doch wenn sie über lange Zeit wirkt, addiert sich der Schub zu vergleichbarer Geschwindigkeit wie bei einem konventionellen Raketenantrieb. Auch den hat die Sonde an Bord, in Form von kleinen Steuerdüsen, die zur Kurskorrektur, vor allem aber zum Einbremsen der Sonde in ihre Umlaufbahnen an Vesta und Ceres verwendet werden. Für den Ionenmotor wurden 425 Kilogramm Xenon mitgenommen, das ist viel weniger Masse, als es klassischen Treibstoff bedurft hätte. Die Energie zum Start der chemischen Reaktion mit dem Edelgas liefern zwei große Solarpanele mit fast 20 Metern Spannweite.

Als es noch eine "Himmelspolizey" gab…

Ähnlich wie die europäische Kometensonde Rosetta nahm Dawn zunächst im inneren Sonnensystem Schwung, ehe nach vier Jahren das erste Ziel, der Asteroid Vesta, ins Blickfeld der beiden baugleichen Kameras rückte. Die Erwartungen waren groß, denn viel war es nicht, was man über diesen Kleinplaneten wusste. Entdeckt wurde Vesta 1807 von Heinrich Olbers, einem Arzt und Astronomen aus Bremen. In jenen Jahren waren die Astronomen auf der Suche nach einem Planeten, den sie in der 500 Millionen Kilometer breiten Lücke zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter vermuteten. An der Wende zum 19. Jahrhundert war von den Astronomen Franz Xaver von Zach und Johann Hieronymus Schroeter zur Suche nach dem "Lückenbüßer" eigens eine "Himmelspolizey" gegründet worden. 24 europäische Sternwarten bekamen je einen Quadranten in der Ekliptik (der Bahnebene der Planeten) zur Durchmusterung zugeteilt.

Schon 1801 war die Suche scheinbar von Erfolg gekrönt, als Giuseppe Piazzi im Observatorium von Palermo einen großen Körper entdeckte, vermutlich allerdings eher zufällig. Er erhielt den Namen Ceres. Doch bald wurde klar, dass in der großen Bahnlücke kein Planet, sondern Dutzende, wie wir heute wissen sogar Hunderttausende Brocken um die Sonne kreisen und zwar auf ähnlichen Bahnen wie die Planeten. Jupiter, der massereichste Planet und mit seiner Anziehungskraft so etwas wie der "Hüter" des inneren Sonnensystems, verhinderte, dass sich aus diesen Körpern, die wenige dutzend Meter bis zu mehreren hundert Kilometer groß sind, ein Planet bildete.

Mit 22 Kilometern fast dreimal so hoch wie der Mount Everest erhebt sich ein noch namenloser Berg inmitten eines 450 Kilometer großen Einschlagbeckens am Südpol des Asteroiden VestaQuelle: NASA/JPL%2dCaltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
  Mit 22 Kilometern fast dreimal so hoch wie der Mount Everest erhebt sich ein noch namenloser Berg inmitten eines 450 Kilometer großen Einschlagbeckens am Südpol des Asteroiden VestaQuelle: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

 

Von Vesta existierte bis zur Ankunft von Dawn nur ein Bild des Hubble-Weltraumteleskops von wenigen Pixeln Durchmesser. Außerdem spektrale Messungen, die das Reflexionsverhalten der Oberfläche im sichtbaren Licht und nahen Infrarot zeigten. Erstaunlicherweise glichen diese Verläufe den Messungen an einigen Meteoriten in den irdischen Sammlungen, sodass zu vermuten war, dass von Vesta durch Kollisionen mit anderen Asteroiden Material abgesprengt wurde, und ein kleiner Bruchteil davon als Meteorite auf der Erde landete. Sollte sich dies durch spektrale Messungen aus der unmittelbaren Nähe bestätigen, so würde dies bedeuten, dass wir Proben dieses Asteroiden in unseren Laboren hätten, ein enorm wichtiges Referenzmaterial: Denn weil die Asteroiden so etwas wie "verhinderte" Planeten darstellen, lässt sich an ihnen die Frühzeit der Planetenentstehung zu einem guten Stück rekonstruieren.

Die Kameras zeigen eine "neue Welt"

Und in der Tat: Die Spektren von Vesta bestätigen, dass die Howardite, Eukrite und Diogenite - so die klangvollen Namen der Meteoriten - von Vesta und deren Bruchstücken, den "Vestoiden" kommen. Wir wissen heute auch mit einiger Sicherheit, wo genau auf Vesta sie ihren Ursprung haben. Denn die beiden Kameras an Bord von Dawn zeigten eine Struktur, wie sie so an noch keinem anderen Himmelskörper entdeckt wurde: Mit seinem Durchmesser von etwa 500 Kilometern bildete sich Vesta zunächst als kugelförmiger Körper aus, er erreichte ein, wie man in der Geophysik sagt, isostatisches Gleichgewicht. Doch am Südpol "fehlt" ein beträchtliches Stück Vesta. Es scheint bei zwei gigantischen Kollisionen weggerissen worden zu sein. Davon zeugt ein 450 Kilometer großer Ringwall, ein mächtiger Kraterrand, der eine beckenförmige, acht Kilometer tiefe Senke umgibt und in deren Zentrum sich durch das Zurückfedern der bei den hohen Einschlagsenergien elastisch reagierenden Gesteinskruste ein gigantischer Berg gebildet hat: ein 22 Kilometer hohes Massiv, fast dreimal so hoch wie der Mount Everest!

Messungen mit den Spektrometern auf der Dawn%2dSonde bestätigten, dass die Meteoritensorten Howardit, Eukrit und Diogenit vom Asteroiden Vesta stammen. Im Labor lässt sich nun anhand von Analysen im polarisierten Licht der Mineralbestand ganz genau bestimmen.Quelle: NASA/University of Tennessee
  Messungen mit den Spektrometern auf der Dawn-Sonde bestätigten, dass die Meteoritensorten Howardit, Eukrit und Diogenit vom Asteroiden Vesta stammen. Im Labor lässt sich nun anhand von Analysen im polarisierten Licht der Mineralbestand ganz genau bestimmen.Quelle: NASA/University of Tennessee

 

Ein "Planetchen", aus Stein und Eisen...

Über ein Jahr umkreiste die Sonde Dawn ihr erstes Ziel. Das Wissenschaftlerteam war überwältigt von der Vielfalt an komplexen geologischen und tektonischen Strukturen. Vesta befindet sich näher am inneren Rand des Asteroidenbandes. Dort war es im jungen Sonnensystem, in den ersten paar Millionen Jahren, als sich zunächst die Planetenkeime (die sogenannten Planetesimale) bildeten und rasch zu großen Körpern heranwuchsen, recht heiß. Flüchtige Stoffe wie Wasser und Gase konnten nicht in die Planetesimale eingebaut werden und wurden stattdessen in der rotierenden Scheibe aus Staub und Gas weiter nach außen getrieben. Vesta müsste ein Körper sein, der mit den vier erdähnlichen Planeten des inneren Sonnensystems vergleichbar ist: kaum Wasser, dafür Stein und Metalle in seinem Inneren. Auch die Meteoriten von Vesta enthalten diese Stoffe. Vesta ist offensichtlich die Miniaturausgabe eines "echten", großen Planeten - mit einem Kern aus Eisen und Nickel in seinem Zentrum und einem Mantel aus schweren Silikatgesteinen, reich an Magnesium und Eisen, und schließlich einer leichteren Kruste. Möglicherweise kam es auf Vesta sogar zu Vulkanausbrüchen, darauf deuten einige dunkle Stellen auf der Oberfläche hin.

Nach allem, was Dawn an Messdaten des Schwerefeldes von Ceres zur Erde funkte, könnte der größte Körper im Asteroidengürtel so aufgebaut sein: Ein Kern aus wasserhaltigen Silikatmineralen, darüber ein mächtiger Mantel aus Wassereis mit Silikatkomponenten und außen eine Kruste aus einer Mischung von leichten Gesteinen und gefrorenen flüchtigen Komponenten, überwiegend Wassereis.Quelle: NASA/JPL%2dCaltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
  Nach allem, was Dawn an Messdaten des Schwerefeldes von Ceres zur Erde funkte, könnte der größte Körper im Asteroidengürtel so aufgebaut sein: Ein Kern aus wasserhaltigen Silikatmineralen, darüber ein mächtiger Mantel aus Wassereis mit Silikatkomponenten und außen eine Kruste aus einer Mischung von leichten Gesteinen und gefrorenen flüchtigen Komponenten, überwiegend Wassereis.Quelle: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

 

…und ein salziger Zwerg aus Eis und Stein

Begeistert von der reichen Ausbeute wurde ab September 2012 das zweite Missionsziel angesteuert: der Zwergplanet Ceres, am äußeren Rand des Asteroidengürtels gelegen. Hier erwarteten die Forscher einen ganz anderen Typ von "Kleinkörper" - Ceres ist dort schließlich der größte und massereichste Körper. Seine Größe und kugelförmige Gestalt waren der Hauptgrund, warum ihn die Internationale Astronomische Union 2006 zum Zwergplaneten "beförderte". Auf dem Weg zu Ceres überschritt die Sonde eine unsichtbare Trennlinie, von den Wissenschaftlern auch als "Schneegrenze" bezeichnet. In der protoplanetaren Staub- und Gasscheibe war es jenseits dieser hypothetischen Linie kalt genug, dass auch Gase kondensieren und Eingang in das stoffliche Repertoire der hier entstehenden Körper fanden. Auch von Ceres war nicht viel bekannt. Die besten Teleskope lösten gerade so viel auf, dass sehr grobe regionale Strukturen erkennbar waren. Aufgrund der Masse und der Umlaufbahn des Planetenzwerges konnte geschlossen werden, dass Ceres zu einem beträchtlichen Anteil aus Eis bestehen müsse.

Im Zentrum des 90 Kilometer großen Kraters Occator befindet sich das größte Vorkommen der ominösen weißen Ablagerungen auf Ceres. Hauptsächlich handelt es sich um Karbonate, Salze der Kohlensäure. Auch die blauen Falschfarben zeigen das Vorhandensein von hellen Ablagerungen und werden mit Schwefelsalzen in Verbindung gebracht, volkstümlich: Gips.Quelle: NASA/JPL%2dCaltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
  Im Zentrum des 90 Kilometer großen Kraters Occator befindet sich das größte Vorkommen der ominösen weißen Ablagerungen auf Ceres. Hauptsächlich handelt es sich um Karbonate, Salze der Kohlensäure. Auch die blauen Falschfarben zeigen das Vorhandensein von hellen Ablagerungen und werden mit Schwefelsalzen in Verbindung gebracht, volkstümlich: Gips.Quelle: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

 

Die langsame Annäherung an Ceres zu Beginn des Jahres 2015 war eine harte Geduldsprobe für das Team. Als die Bildauflösung endlich Details in den großen Kratern erkennen ließ, gab es eine kleine Sensation: In einigen Gegenden waren sehr helle, fast schneeweiße Flecken zu sehen. Was war das? Ceres reflektiert zwar fast die Hälfte des Sonnenlichts, hat also eine viel hellere Oberfläche als Vesta, aber blankes Eis hatten die Wissenschaftler an der Oberfläche nicht erwartet. Aus der noch zu großen Entfernung des ersten Kartierungsorbits in 13.000 Kilometer Höhe war das Rätsel nicht zu lösen. Weitere Geduld war gefragt, bis die Sonde aus den beiden tieferen Umlaufbahnen, die bis auf 375 Kilometer an die Oberfläche heranführten, Bilder mit höherer Auflösung und vor allem auch genauere Spektraldaten liefern konnte.

Das Ergebnis ist spektakulär: Die weißen Flächen bestehen aus Ablagerungen von Salzen, beispielsweise Soda (Natriumkarbonat), Magnesiumsulfat oder sogar ammoniakhaltigen Tonmineralen, neben weiteren Schwefel- und Chlorsalzen. Das bedeutet, dass es einen Prozess geben muss, der das zweifelsfrei im Inneren von Ceres vorhandene Wassereis teilweise schmilzt und mit Mineralsalzen anreichert. Als Sole wird es an die Oberfläche gedrückt, dort gefriert die salzhaltige Lösung sofort und das Wasser verdampft. Die dafür erforderliche Wärme könnte vom radioaktiven Zerfall von radioktiven Elementen im Innern von Ceres stammen, aber diese Frage ist noch nicht abschließend geklärt. Auch gilt es heute als erwiesen, dass es in geologisch jüngerer Vergangenheit zu sogenannten kryovulkanischen Vorgängen auf Ceres gekommen sein muss, ein Vulkanismus, bei dem keine glutheißen, geschmolzenen Gesteine an die Oberfläche gepresst werden, sondern warme, "hydrothermale" Mineralwässer mit gelösten Salzen. Nach dem Verdampfen des Wasseranteils - das Weltraumteleskop Herschel hat in der Umgebung von Ceres im Jahr 2014 Wasserdampf nachgewiesen - bleiben Salzkrusten zurück.

Dass Ceres einen hohen Wasseranteil von bis zu einem Viertel seiner Masse haben muss, geht schon aus seiner geringen globalen Dichte von knapp zwei Gramm pro Kubikzentimeter hervor. Und wie Vesta dürfte auch Ceres zu einem gewissen Grad differenziert sein, mit den eisenreichen Gesteinsbestandteilen, vielleicht reinen, elementaren Metallen in einem Kern, umgeben von einem Mantel aus Eis, und alles überdeckt von einer Kruste aus Wassereis und leichten, teilweise hydratisierten, aber auch "trockenen" (Ton-)Mineralen. Da die Salzablagerungen zumeist in Kratern zu finden sind, ist es auch vorstellbar, dass die Energie für die unter der Oberfläche stattfindenden hydrothermalen Vorgänge von den Einschlägen herrührt, die zu diesen Kratern führten.

Der Ahuna Mons mit kraterfreien, also geologisch ganz jungen Abhängen erhebt sich etwa 5000 Meter über die ansonsten von Kratern übersäte Umgebung. Ein Kryovulkan, aus dessen Schlot Eis statt Lava dringt? %2d Die Forscher halten das für möglich.Quelle: NASA/JPL%2dCaltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
  Der Ahuna Mons mit kraterfreien, also geologisch ganz jungen Abhängen erhebt sich etwa 5000 Meter über die ansonsten von Kratern übersäte Umgebung. Ein Kryovulkan, aus dessen Schlot Eis statt Lava dringt? - Die Forscher halten das für möglich.Quelle: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

 

Und noch ein wissenschaftlicher wie auch ästhetischer Aufreger: Das ungewöhnlichste Landschaftsmerkmal auf Ceres ist ein Berg, der auf den ersten Blick an die Abraumhalden im Kalibergbau erinnert: Der Ahuna Mons, hat einen Basisdurchmesser von 20 Kilometern und erhebt sich beeindruckende fünf Kilometer über seine Umgebung. Ein Mont Blanc auf Ceres gewissermaßen, allerdings mit sehr ebenförmigen Abhängen und Rinnen, die durch abrutschende Salze entstanden sein dürften. Insgesamt hat der Ahuna Mons eine Ähnlichkeit mit vulkanischen Domen auf der Erde. Ist er also ein Kryovulkan? Ein Konstrukt aus Eis, Salz und hydratisierten Mineralen, die von Wärme und Dichteunterschieden den erforderlichen Auftrieb erhalten haben, um aufdringen und einen Berg bilden zu können? Das liegt nahe. Vermutlich ist das Eis im Berg längst verdampft, sodass nur die trockenen Minerale zurückblieben. Einen zweiten Berg dieser Art gibt es jedenfalls nicht auf Ceres.

Der Krater Haulani ist mit 34 Kilometer Durchmesser etwa so groß wie das Nördlinger Ries in der Schwäbischen Alb. Er scheint noch nicht sehr alt zu sein, denn sein Rand ist noch scharfzackig. Auch die Blautöne in der kontrastverstärkte Aufnahme legen diesen Schluss nahe. Erdrutsche zeigen, dass die Erosion ihr einebnendes Werk begonnen hat. Quelle: NASA/JPL%2dCaltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
  Der Krater Haulani ist mit 34 Kilometer Durchmesser etwa so groß wie das Nördlinger Ries in der Schwäbischen Alb. Er scheint noch nicht sehr alt zu sein, denn sein Rand ist noch scharfzackig. Auch die Blautöne in der kontrastverstärkte Aufnahme legen diesen Schluss nahe. Erdrutsche zeigen, dass die Erosion ihr einebnendes Werk begonnen hat. Quelle: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

 

Spannendes Finale in Sonnennähe

Dawn umkreist und umkreist den Zwergplaneten. Noch Jahre wäre dies möglich. Die Bahn lässt sich an diesem Körper mit homogener Massenverteilung und folglich kaum Schwankungen in seinem Schwerefeld fast ohne Treibstoff stabil halten. Bis 2019 soll die Sonde durchhalten. Dann nämlich wird Ceres sein Perihel erreichen, den kürzesten Abstand zur Sonne. Es besteht Anlass zur Hoffnung, dass die dann stärkeren Sonnenstrahlen ein wenig Eis in der Kruste des Zwergplaneten verdampfen lassen und sogar aktiver Kryovulkanismus beobachtet werden kann. Es wäre ein letzter Höhepunkt dieser an Erkenntnissen reichen Mission.

  • Dawn

    Dawn ist eine Mission der NASA. Der Name - Morgendämmerung - steht für das Ziel, Erkenntnisse über die Frühzeit des Sonnensystems zu erlangen. An Bord der vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) gesteuerten Sonde befinden sich ein Spektrometer für das sichtbare Licht und das nahe Infrarot, ein Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer und zwei baugleiche Kameras.

  • Framing Camera

    Die Framing Camera wurde vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, dem DLR-Institut für Planetenforschung und dem Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der Universität Braunschweig entwickelt. Das DLR ist verantwortlich für die Auswertung der Aufnahmen, für die Verarbeitung der Stereobilddaten zu globalen Kartenwerken und für digitale Geländemodelle der Oberflächen, aus denen die Topographie beider Körper abgeleitet wird.

  • Vesta

    Der Asteroid Vesta umkreist die Sonne in 3,6 Jahren auf einer elliptischen Umlaufbahn zwischen 322 und 385 Millionen Kilometern. Der mittlere Durchmesser des drittgrößten (und nach Ceres massereichsten) Asteroiden beträgt 516 Kilometer. Der Asteroid ist nach der römischen Göttin des Heims und des Herdfeuers benannt, der Schwester von Ceres.

  • Ceres

    Ceres, benannt nach der römischen Göttin der Fruchtbarkeit und der Landwirtschaft, ist mit einem mittleren Durchmesser von etwa 950 Kilometern der größte Körper des Asteroidengürtels. Ceres wird seit 2006 als Zwergplanet bezeichnet. Er umkreist die Sonne in 4,6 Jahren auf einer Umlaufbahn zwischen 384 und knapp 450 Millionen Kilometern.

Zuletzt geändert am:
26.09.2017 11:20:49 Uhr

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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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Prof. Dr. Ralf Jaumann
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