Dawn – Reise zu den Asteroiden



 

 

Start: 27. September 2007

Wissenschaftliche Ziele

Als Asteroiden wird eine große Zahl von Kleinplaneten bezeichnet, deren Umlaufbahnen in der Regel zwischen denen des Mars und des Jupiter liegen. Sie bilden das Bindeglied zwischen den kleinen inneren Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars) und den großen äußeren Planeten (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) unseres Sonnensystems. Sie haben sich bei der Entstehung unseres Sonnensystems zusammen mit den bekannten Planeten durch Akkretion gebildet.

Durch die enorme Gravitationskraft des Riesenplaneten Jupiter wurde ihre Evolution aber frühzeitig weitgehend gestoppt, mit der Folge, dass die Asteroiden in einem Zustand erhalten geblieben sind, der etwa zehn Millionen Jahre nach Bildung unseres Sonnensystems erreicht wurde. Diese Protoplaneten sind damit so etwas wie ein Geschichtsbuch der Planetenevolution, mit dem unser Verständnis von der Entwicklung der Erde und der anderen Planeten verbessert werden kann.

Aus diesem Grund hat die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA am 27. September 2007 die Weltraummission "Dawn" gestartet Die Dawn-Sonde soll zwischen 2011 und 2016 zwei der größten Asteroiden, Vesta und Ceres, eingehend untersuchen.

 Künstlerische Darstellung der Dawn-Sonde mit Ceres und Vesta
zum Bild Künstlerische Darstellung der Dawn-Sonde mit Ceres und Vesta

 

Das erste Ziel der Sonde war Vesta, der zweitschwerste aller Asteroiden (Vesta repräsentiert 8 Prozent der gesamten Asteroidenmassen). Der Asteroid wurde 1807 entdeckt, und hat die Form eines dreiachsigen Ellipsoids mit den Abmessungen 280 x 270 x 230 Kilometer. Der mittlere Abstand zur Sonne von 350 Millionen Kilometern (2,36 Astronomische Einheiten) führt zu einer Umlaufzeit von 3,63 Jahren. Vesta ist ein entwickelter Asteroid mit zwei großen Einschlagkratern am Südpol. Die Dawn-Sonde schwenkte am 15. Juli 2011 in einen Orbit um Vesta ein und erforschte den Kleinplaneten zwischen August 2011 und August 2012 für etwa ein Jahr. Die Orbithöhen wurden über mehrere Monate nach und nach von anfänglich 2.735 Kilometern auf schließlich 210 Kilometer verringert. Die mit den Bordkameras erfassten Bilder zeigten Details der Oberfläche von bis zu 20 Metern pro Pixel.

Durch den Einsatz seiner vier Instrumente wurde der Asteroid Vesta fast komplett kartiert und seine mineralogische Zusammensetzung erforscht. Die Bestimmung seines genauen Gravitationfeldes schloss die Untersuchung ab. Das Alter von Vesta wurde aus der Verteilung bestimmter Isotopenhäufigkeiten auf 4,565 Milliarden Jahre errechnet. Die Eigenrotation von Vesta beträgt 5,34 Stunden. Seine mittlere Dichte beträgt 3,475 Gramm pro Kubikzentimeter. Am auffälligsten auf der Oberfläche sind konzentrische Gräben oder Rinnen um den Äquator herum und vor allem zwei sich überlagernde Einschlagkrater mit etwa 500 Kilometern Durchmesser im Südpolbereich. Dieser "Rheasilvia" genannte Bereich entstand vor etwa einer Milliarde Jahren durch Kollision von Vesta mit einem Kometen oder einem anderen Asteroiden. Bemerkenswert ist der 20 Kilometer hohe Zentralberg im Krater. Krater Rheasilvia überlagert den älteren Krater Veneneia (400 Kilometer Durchmesser), der vor rund zwei Milliarden Jahren entstand. Eine weitere Entdeckung waren so genannte "dunkle Flecken" in Kratern, deren Ursprung noch nicht erklärt werden kann. Die deutschen "Framing Cameras" (siehe unten) nahmen bis September 2012 mehr als 31.000 Bilder von Vesta auf, die jetzt intensiv ausgewertet werden.

Ceres, das zweite Hauptziel von Dawn ist der größte Asteroid (Nach neuer Definition durch die Internationale Astronomische Union gilt er seit Herbst 2006 als Zwergplanet) und wurde 1801 entdeckt. Seine Größe beträgt etwa 960 x 930 Kilometer. Ceres repräsentiert sogar etwa 30 Prozent der Masse aller Asteroiden. Die mittlere Entfernung zur Sonne beträgt 414 Millionen Kilometer (2,76 Astronomische Einheiten), die Umlaufzeit um die Sonne 4,6 Jahre. Ceres ist ein "nasser" Asteroid mit einem Wassergehalt von etwa 20 Prozent. Er hat seit seiner Entstehung noch keine großen Veränderungen seiner Form und Oberflächenbeschaffenheit erfahren. Dawn erreichte Ceres am 06. März 2015 und soll den Zwergplaneten etwa 16 Monate umkreisen und aus dem Orbit heraus untersuchen.

Die Dawn-Sonde nutzt als Hauptantrieb für ihre Mission zu den Asteroiden einen Ionenantrieb ("Solar Electric Propulsion", SEP), der gegenüber einem konventionellen Raketenmotor den Vorteil eines etwa viermal größeren spezifischen Impulses hat, bei allerdings sehr geringer Schubleistung. Der SEP hat einen sehr geringen Verbrauch an Xenon-Gas von etwa 0,28 Kilogramm pro Tag, was zu einem niedrigen Startgewicht der Raumsonde führt. Dies ermöglicht die Nutzung einer kleineren und preiswerten Startrakete. Der Nachteil der geringen SEP-Schubleistung (etwa 90 Millinewton) ist eine sehr lange Flugzeit, die die Sonde bis zu ihren Zielen benötigt. Während der ersten fünf Jahre Flugzeit bis September 2012 hat Dawn lediglich 267 von 425 Kilogramm ihres Xenon-Gasvorrats verbraucht.

Instrumente

Dawn soll folgende Untersuchungen an den beiden Asteroiden vornehmen:

  • Optische Kartierung
  • Bestimmung ihrer internen Struktur, Dichte und Homogenität durch Ermittlung von Masse, Form und Rotationsrate
  • Bestimmung der chemischen Zusammensetzung durch komplette spektrale Erfassung im Bereich zwischen 0,35 und 5,0 Mikrometern
  • Bestimmung der Elementhäufigkeiten von Fe, Ti, O, Si, Ca, U, Th, K, H, Al, Mg
  • Erstellung topographischer Profile der Oberfläche
  • Bestimmung der Größe des metallischen Kerns bei Vesta
  • Suche nach Plattentektonik und Vulkanismus
  • Suche nach Wasser führenden Mineralien

Dazu trägt Dawn vier Instrumente als Nutzlast:

  • Zwei Framing Cameras (FCs) von Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen und vom Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR in Berlin-Adlershof),
  • ein Mapping Spectrometer (VIR) von der Agenzia Spaziale Italiana (ASI/CNR),
  • ein Gamma-Ray and Neutron Detector (GRaND) von Los Alamos National Laboratory (LANL) und
  • das Radio Science Package (RAD) von NASA Jet Propulsion Laboratory.

Principal Investigator (PI) der Dawn-Mission ist Dr. Christopher T. Russell von der University of California, Los Angeles (UCLA). Er wird unterstützt durch ein internationales Team, zu dem auch zahlreiche deutsche Wissenschaftler gehören, unter anderem von der Universität Münster und der Freien Universität Berlin. Zum Zweck der Kartierung von Vesta hat das Team dessen Oberfläche in fünfzehn Kartierungsgebiete aufgeteilt. Die Ziele dieser Auswertung sind:

  • Die Erstellung geologischer Karten,
  • die Kartierung der Krater, inklusive deren zeitlicher Einordnung,
  • die Erfassung und Kartierung von "Dunklem Material" und von "Hellem Material" auf der Oberfläche und
  • die Erstellung von 3-D-Profilen der Vesta-Oberfläche.

Deutscher Beitrag zu Dawn

Vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen wurden mit Unterstützung des DLR-Instituts für Planetenforschung (IPF) in Berlin die zwei "Framing Cameras" (FC‘s) für die Dawn-Mission entwickelt und gebaut. Die FC‘s sind eine missionskritische Nutzlast, weil sie auch für die Navigation der Sonde während des Zielanflugs und der Orbits um die Asteroiden benötigt werden. Aus Sicherheitsgründen (Redundanz) wurden zwei baugleiche FC‘s auf Dawn installiert.

Hauptzweck der Kameras ist aber die optische Kartierung der Kleinplaneten aus der Umlaufbahn. Die Ceres-Mission startet am 23. April 2015 mit einem "Rotation Characterization Orbit" (RC, 13.500 Kilometer Bahnhöhe). Der RC dauert bis zum 09. Mai 2015 und ermöglicht Bildauflösungen bis etwa 1,2 Kilometer pro Pixel. Auf den RC folgt der "Survey Orbit" (4.400 Kilometer Bahnhöhe vom 06. bis 30. Juni 2015) mit einer Auflösung von 450 Metern pro Pixel. Der "High Altitude Mapping Orbit" (HAMO, 1.470 Kilometer Bahnhöhe, 04. August bis 15. Oktober 2015) ermöglicht Detailbilder bis etwa 150 Meter pro Pixel. Als niedrigster Orbit um Ceres wird der "Low Altitude Mapping Orbit" (LAMO, 375 Kilometer Bahnhöhe) ab 15. Dezember 2015 die Erkundung von Ceres abschließen. Die maximale Bildqualität wird etwa bei 40 Metern pro Pixel erwartet. Nominal soll die LAMO-Phase bis zum 30. Juni 2016 dauern. Es wird erwartet, dass der noch verfügbare Hydrazin-Vorrat für die Lageregelungstriebwerke danach noch höchstens einige Wochen oder vielleicht Monate reicht. Ab Herbst 2016 ist deshalb mit dem Ende der Dawn-Mission zu rechnen.
 

Missionsdaten und technische Parameter

Start: 27. September 2007 vom Kennedy Space Center, Cape Canaveral, Florida, USA
Trägerfahrzeug: Delta 2925H-Rakete
Rendezvous mit Vesta: Oktober 2011 - September 2012; Orbits in 2.375, 685 und 210 Kilometern Höhe
Redezvous mit Ceres: März 2015 - Juni 2016; Orbits in 13.500, 4.400, 1.470 und 375 Kilometern Höhe
Antrieb der Sonde: 3 Xenon-Ionentriebwerke (solar-elektrisch)
Nominelle Missionsdauer: 9 Jahre
Masse der Sonde: 1.220 Kilogramm beim Start, 750 Kilogramm ohne Treibstoff
Abmessungen: Höhe ca. 2 Meter; Spannweite 20 Meter
Energieversorgung: Galliumarsenid-Sonnenkollektoren, 10 Kilowatt an der Erde, 1 Kilowatt an Ceres

 


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http://dawn.jpl.nasa.gov/
http://www.orbital.com/SatelliteSpaceSystems/Publications/Dawn_factsheet.pdf
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http://www.mps.mpg.de/projects/dawn/
http://www.asi.it/en/activity/solar_system/dawn