Raumfahrt | 04. März 2022

Hertzsprung - Finale für irdische Hardware auf dem Mond

Quelle: NASA/GSFC/ASU
Wegen der gekoppelten Rotation des Mondes ist seine Rückseite von der Erde nicht zu sehen. Die Chang’e-5-T1-Oberstufe schlägt am 4. März 2022 im Hertzsprung-Becken auf die Mondoberfläche. Die Mission Chang’e 4 landete am 3. Januar 2019 im Krater von Kármán, dort ist der Rover Yutu-2 noch heute im Einsatz.

Heute, am 4. März 2022, wird um 13.25 Uhr MEZ eine etwa vier Tonnen schwere irdische Blechdose, eine zehn Meter lange Raketenoberstufe, mit 2,58 Kilometern pro Sekunde (9.300 km/h) auf der Mondrückseite am Nordrand des über 500 Kilometer großen Krater Hertzsprung einschlagen. Es wird das erste Mal sein, dass ein menschengemachtes Stück Technik unkontrolliert, unbeabsichtigt und zu den nachfolgend geschilderten Umständen mit einem anderen Himmelskörper des Sonnensystems kollidiert.##markend##

Nicht schlimm all dies, da passiert überhaupt nichts, das uns hienieden auf Erden Sorgen machen müsste. Auch der Mond ist solches in den viereinhalb Milliarden Jahren seiner Existenz gewohnt, seien es Asteroiden aus der Region zwischen Mars und Jupiter, seien es ein paar bewusst auf dem Mond ‚deponierte‘ Metallröhren und Landemodule oder Orbiter in den letzten 60 Jahren. Ein kleiner Rrrrrums, durchaus allerdings mit Schmackes: So um die 1010 Joule dürften dabei umgesetzt werden, das ist so viel wie ein 500-Tonnen-Airbus 380 bei 910 Kilometern pro Stunde an kinetischer Energie durch die Lüfte pflügt. Im perfekten Vakuum der lunaren Exospähre passiert das allerdings ohne Schall und nur mit Rauch, dem Staubauswurf, der dabei emporgeschleudert wird. Zurück bleibt ein kleiner, vielleicht zehn oder zwanzig Meter großer Krater. Und das ganze kosmische Räderwerk dreht sich völlig unbeeindruckt weiter.

Zwei Dinge sind dabei aber schon interessant: Was ist das, das jetzt den Mond treffen wird, woher stammt es, wem gehört es? Zu Ersterem möchte dieser Blogbeitrag etwas Hintergrundinformationen geben. In Kürze: Zuerst wurde, vermeintlich, ein Space-X-Booster identifiziert. Nach allem, was aber jetzt bekannt ist, handelt es sich wahrscheinlich um die Oberstufe einer dreistufigen chinesischen Langer-Marsch-3C-Trägerrakete, die 2014 die Mission Chang’e 5-T1 auf den Weg zum Mond gebracht hat. Seither befindet sich dieses Blechteil in einer hohen, elliptischen Umlaufbahn um die Erde, deren erdfernster Punkt hinter dem Mond liegt und dieser beim Zurückfallen der Oberstufe in Richtung Erde jetzt eben mitten in die Flugbahn gerät, so dass es zwangsläufig zur Kollision kommen wird.

Die Wissenschaft freut sich jedenfalls darauf. Denn künstliche, vorhersagbare Einschläge mit bekannter Energie und sichtbaren Spuren sind immer ein kleines Fest für die Mondforschung und die Impaktfreaks. Hierzu soll hier nur ein wenig der Appetit angeregt werden und erst später ausführlich darüber berichtet werden, dann, wenn die beiden gegenwärtig aktiven Satelliten im Mondorbit in ein paar Wochen die Aufschlagstelle mit dem neuen Mondkrater identifiziert haben und sich etwas über den Impakt und vor allem seine Folgen sagen lässt.

 

Quelle: Bill Gray/Project Pluto
Der Bahnverlauf des Chang’e 5-T1-Oberstufenboosters (schwarz) zwischen dem 1.1. und 4.3.2022. die grüne Ellipse ist die Mondbahn, der rote Kreis die Erde. Nach dem 1. Januar kam es im „Aufstieg“ des Raketenteils zum Mond zu einer Begegnung mit dem Mond in 9600 Kilometer Entfernung, was zu dem markanten „Knick“ in der Bahn führte. Damit wurde die Kollision am 4. März eingeleitet. Jeder Querstrich auf der Bahn markiert einen Tag.

 

Also: Wem gehört diese Blechröhre?

Was ist das nun für ein Projektil, das im Hertzsprung-Impaktbecken einschlagen wird? Zunächst gab es auf diese Frage keine ganz schlüssige Antwort. Der erdnahe Weltraum wird zwar lückenlos überwacht und nahezu jedes Objekt, selbst wenn es nur wenige Zentimeter groß ist, wird in Katalogen erfasst und sein Orbit bzw. vor allem auch dessen Veränderungen sind den Raumfahrtorganisationen ziemlich genau bekannt. Schließlich könnte bei den Geschwindigkeiten, mit denen diese Trümmerteile, Raketenstufen, ausrangierte Satelliten unterwegs sind, bei Kollisionen zur Zerstörung funktionierender Satelliten führen oder zu Gefahren für die Besatzungen der Internationalen Raumstation ISS führen. Mehrere zehntausend Objekte sind in diesen Katalogen gelistet.

Darüber hinaus gibt es menschengemachte Objekte, die im System Erde-Mond unterwegs sind und mit diesen beiden Himmelskörpern die Sonne umkreisen, und schließlich gibt es "Gerümpel", das auf eigenen heliozentrischen Bahnen um unser Zentralgestirn kreist. So sind beispielsweise noch immer Stufen und Komponenten aus dem Apollo-Programm vor 50 Jahren im inneren Sonnensystem unterwegs, übrigens seit dem Jahreswechsel 2021/22 auch einer der Ariane-5-Booster, der half, das James-Webb-Weltraumteleskop ins All zu befördern.

Mit solchen Objekten beschäftigen sich die Raumfahrtorganisationen schon auch, aber sie werden nicht mit derselben Priorität behandelt, wie der sich langsam durchaus gefährlich füllende Raum direkt über unseren Köpfen, der bis zu den Bahnen der geostationären Satelliten in 35.800 Kilometer Höhe reicht. Wobei es naturgemäß freilich fast nur im "Berufsverkehr" des Low-Earth Orbit (LEO) zu den erwähnten gefährlichen Situationen kommt. Die exotischen Teile, das ist schon ein wenig die Welt der – Nerds.

Ich denke, man tritt Bill Gray, der sich in seinem "normalen" Leben im US-Bundesstaat Maine als freischaffender Rechenkünstler mit der Suche nach Asteroiden und der Bestimmung ihrer Bahnen beschäftigt, nicht zu nahe, wenn man ihn als einen Nerd bezeichnet. Zu einem solchen wird er nämlich, wenn er sich mit Objekten beschäftigt, die wie die Asteroiden auch nur Lichtpunkte vor dem Hintergrund des Sternenhimmels sind, aber aufgrund ihrer orbitalen Eigenschaften einen irdischen Ursprung haben müssen und im Erde-Mond-System ausgedehnte Schleifen ziehen. Ein gutes Dutzend davon hat er, der von sich sagt, er beobachte weniger und sei eher ein »mathematischer Astronom«, in seinem "Project Pluto" immer auf dem Schirm. „Soviel ich weiß, bin ich der Einzige auf diesem grünen Planeten, der für Weltraumschott Orbits um Erde und Mond berechnet, um Vorhersagen zu treffen für diese Objekte, die so hohe Umlaufbahnen haben. Aber das mache ich in meiner Freizeit.“

Quelle: Bill Gray
Screenshot von Bill Greys Monitor nach dem Nahvorbeiflug der Chang’e 5-T1-Stufe am Mond mit der ersten, überdeutlichen und damals blinkenden IMPACT-Warnung für den 4. März, 12:25:58:58 UTC und den Koordinaten 5,17 Grad Nord / 233,52670 Grad Ost – damals noch mit der Annahme, die Oberstufe der Falcon-9 mit dem DSCOVR-Erdbeobachtungssatelliten. In die Find_Orb-Software fließt eine Vielzahl von Parametern ein.

Elon Musk: Zuerst "Verdächtiger", dann Freispruch

Am 14. März 2014 meldete das Asteroiden-Suchprogramm des Catalina Sky Survey die Entdeckung eines erdnahen Asteroiden. Der brasilianische Astronom Jacques Cristovão rechnete mit den Bahndaten und kam zu dem Schluss, dass dieses Objekt jedoch nicht die Sonne, sondern die Erde umkreiste, es sich also um ein menschengemachtes Objekt handeln müsse. Ein Fall für Bill Gray, denn „Asteroidenleute möchten Asteroiden finden; Weltraumschrott ist für sie eine bittere Enttäuschung. Außer für mich…“. Also verfolgte er dieses Objekt, nahm weitere Beobachtungsdaten der Weltraumorganisationen zur Hand und dokterte immer wieder an der Bahn herum.

Anfang Februar dieses Jahres glaubte er Gewissheit zu haben, dass es sich bei diesem Körper, der den erdfernsten Punkt seiner ellipsenförmigen Bahn um die Erde, das Apogäum, jenseits des Mondes hat, der Booster einer Falcon-9-Trägerrakete sein dürfte, die Anfang März 2014 den Erdbeobachtungssatelliten DSCOVR ins All an den Lagrangepunkt L1 zwischen Sonne und dem Erde-Mond-System brachte. Die taumelnde Blechhülse stamme also aus Elon Musks Space-X-Manufaktur.

Gray merkte aber auch an, dass ihm Daten fehlen, ganz sicher behaupten zu können, dass es sich wirklich um das Objekt mit der Satelliten-Katalognummer 40391 bzw. 2015-007B, dem DSCOVR-Booster handelt. Auf seiner Sonderseite zum Impakt schreibt er: „Im Wesentlichen hatte ich ziemlich gute Indizien für die Identifizierung, aber nichts Schlüssiges. Das ist aber nicht ungewöhnlich. Die Identifizierung von hochfliegendem Weltraumschrott erfordert oft ein wenig Detektivarbeit, und manchmal finden wir nie die ID für solchen Weltraumschrott heraus; Es gibt aber auch ein paar nicht-identifizierte Schrottstücke da draußen (zumindest noch nicht identifiziert.)“

Der Space-X-Booster würde nach Grays Berechnungen von Anfang Februar 2022 am 04.03.2022 um 13:25:58 MEZ bei 5,18 nördlicher Breite und 233,55 Grad östlicher Länge einschlagen. Das ist der innerste Ring des Multiring-Impaktbeckens Hertzsprung, eine 530 Kilometer große Struktur in der Nähe der beiden nicht minder prominenten Nachbarkrater Apollo und Korolev. Auf topographischen Karten der Mondrückseite ist Hertzsprung markant zu erkennen, das Becken ist aber auch wegen seiner deutlichen negativen Schwereanomalie, einer MASCON („Mass Concentration“), Mondgeologen ein Begriff: Wegen geringerer Dichte des Mondgesteins ist dort die Anziehungskraft etwas niedriger (was für die Berechnung von Satellitenorbits durchaus von Belang ist.)

Schleuderte die chinesische Mondgöttin Chang’e den Booster zum Mond?

Kurz darauf bekam Gray Mail von Jon Giorgini aus Pasadena in Kalifornien vom Jet Propulsion Laboratory der NASA, der sich ebenfalls mit der Trajektorie von DSCOVR und dessen Trägerstufen beschäftigte. Seiner Meinung nach sei es unwahrscheinlich, dass es der Space-X-Booster bis zum Mond geschafft haben könnte. Gray rechnete mit mehr und neuen Daten vom Februar 2022 nach, bestätigte Giorginis Aussage und identifizierte schnell einen neuen Kandidaten: Die Hardware muss zur Mission Chang'e 5-T1 gehören, die am 23. Oktober 2014 um 18:00 UTC mit einer Langer-Marsch-3C-Trägerrakete gestartet wurde.

Quelle: China Space
Mit der Mission Chang’e 5-T1 testete die Chinesische Weltraumorganisation 2014 erfolgreich das Manöver des Erdatmosphäreneintritts einer vom Mond kommenden Probenkapsel. Im Dezember 2020 landete die Mission Chang’e 5 auf dem Mond und kehrte mit 1731 Gramm am Mons Rümker gesammelten Proben sicher zur Erde zurück.

Gray dazu: „Die Trägerrakete [der chinesischen Mission] wurde, wir dachten, nie gesehen. Es ist nicht klar, wann der Chang'e 5-T1-Booster am Mond angekommen wäre, aber vier Tage nach dem Start wäre eine vernünftige Schätzung. Als ich die Umlaufbahn für WE0913A, den Booster, weiter rückwärtslaufen ließ, bekam ich für den 28. Oktober 2014 einen Mondvorbeiflug. (…) All dies bleibt eine Beweisführung auf der Basis von Indizien. Aber ich würde es als ziemlich überzeugenden Beweis ansehen, jener Art, bei der die Geschworenen den Gerichtssaal verlassen und in ein paar Minuten mit der Verurteilung zurückkommen würden. Ich bin also überzeugt, dass das Objekt (…) tatsächlich die Raketenstufe Chang'e 5-T1 ist.“

Chang’e-5-T1, gestartet mit einer Langer-Marsch-3C-Trägerrakete war eine [erfolgreiche] Testmission: Zum einen wurde mit der dritten Stufe eine unbemannte Kapsel um den Mond gelenkt, um dann nach dem Abtrennen in die Erdatmosphäre einzutreten und in der Mongolei zu landen (was gelang), und zum anderen, um einen Orbiter zunächst über den Jahreswechsel 2014/15 am L2-Punkt, dem Lagrange-Punkt 2, an dem sich die Anziehungskräfte von Sonne, Erde und Mond aufheben, dort, wo auch das James Webb Weltraumteleskop jetzt "steht" und mit Erde und Mond die Sonne umkreist. Danach wurden noch einige Manöver im Vorfeld der "richtigen" Mondmissionen Chang’e-4 und Chang’e-5 getestet, u.a. wurde die Probennahme-Landestelle am Mons Rümker aus nur 25 Kilometern Höhe fotografiert. Für die "Sieben Geschworenen" war der Fall also klar, aber trägt die ominöse Stufe wirklich die chinesischen Schriftzeichen 嫦娥五號探路星 für Chang’e 5-T1?

Quelle: NASA/GSFC/ASU
Die mit „X“ markierte Einschlagstelle der Chang’e 5-T1 im Impaktbecken Hertzsprung.

Klar: Chinas Raumfahrtbehörde spürte dem Verbleib der Reste dieser Mondmission natürlich auch nach, rechnete neu, und gab am 21. Februar 2022 bekannt, dass es sich bei dem Impaktor für den 4. März nicht um die Oberstufe von Chang’e-5 handeln könne, diese sei in der Erdatmosphäre verbrannt. Chang’e-5 ist allerdings eine ganz andere Mission als Chang’e-5-T1. Erstere startete viel später, am 23. November 2020 und brachte eine Landesonde auf den Weg zum Mond, wo sie am 1. Dezember 2020 am Mons Rümker landete, 1731 Gramm Proben Regolith, des Mondstaubs, nahm, und diese am 16. Dezember zur Erde brachte. Darüber, dass die Chang’e-5-Booster am 30. November 2020 in der Erdatmosphäre verglühten, besteht kein Zweifel.

Quelle: Vishnu Reddy/UoA
Professor Vishnu Reddy (2.v.l.) und sein University of Arizona Space Domain Awareness-Team – Grace Halferty, Adam Battle und Tanner Campbell – stehen vor dem RAPTORS-1-Teleskop auf dem Kuiper Space Sciences Building. Das Team identifizierte die Farbe auf der Boosterrakete.

Der kleine Unterschied von der Größe eines Golfballs aus einer Meile

Dieser Auffassung ist jedenfalls Bill Gray, der nach wie vor die Chang’e 5-T1-Oberstufe auf einer terminalen Bahn sieht, die am 4. März im Krater Hertzsprung ihr Ende finden wird. Gray stützt seine Schlüsse auf drei Argumente oder Indizien. Zum einen seine eigenen Berechnungen, über die er sagt: „Zwischen dem 5. und 9. Februar 2022 sind ziemlich viele Daten aufgezeichnet worden, als das Objekt wieder nahe an die Erde herankam und über die Nachtseite der Erde hinwegflog. Wie erwartet befand sich das Objekt nicht vollständig auf der [für den Space-X-Booster] vorhergesagten Flugbahn; am Himmel gesehen war der Unterschied ungefähr so groß wie ein Golfball aus einer Entfernung von einer Meile. Es reichte jedoch aus, die Vorhersage zu überprüfen, um ein paar Kilometer östlich und ein paar Sekunden vor der ersten Vorhersage und ein oder zwei Pixel rechts vom grünen „X“ auf meiner Karte einzuschlagen. Mit anderen Worten, kaum Veränderung.“

Quelle: OHB/LuxSpace
Die Auswertung des Funkverkehrs eines Amateursender als Bestandteil der deutsch-luxemburgischen M4- oder Manfred Memorial Moon Mission an Bord der Mission Chang’e 5-T1 bestätigte die Herkunft des am 4. März auf dem Mond einschlagenden Raketenteils.

Die lunare Community hat diese Entwicklung in den letzten Wochen natürlich intensiv diskutiert. So machte der stets lesenswerte Blog des Insiders Leonard David jüngst mit der scherzhaften Schlagzeile auf: „Könnte der wahre Besitzer jetzt vielleicht mal aufstehen?“ Zweifel an der Existenz der Chang’e 5-T1-Oberstufe kamen erneut auf, als die 18. Weltraumkontroll-Squadron der US-Armee in Vandenberg (Kalifornien) behauptete, aufgrund der ihr vorliegenden Daten könne sie bestätigen, dass das chinesische Raketenteil 2015 in der Erdatmosphäre verglühte. Allerdings hatte diese militärische Einheit vermutlich nur Daten vom Start und den wenigen Tagen danach. Das sei zu wenig, bemerkte Bill Gray, daraus könne nicht für ein Jahr später der Atmosphäreneintritt berechnet werden könnte. „Das ist wie beim Wetterbericht, den kann ich auch nicht ein Jahr vorher abliefern. In Zukunft brauchen wir bessere Daten.“ Nicht zuletzt, weil ja ein derart unbeaufsichtigtes Raketenteil auch mal die Erde treffen könnte.

Quelle: UoA
Eine Eule im Logo des Beobachtungsprogramms RAPTORS („Raubvögel“, Rapid Astronomical Pointing Telescopes for Optical Reflectance Spectroscopy) der University of Arizona.

Neben den Bahnberechnungen sind die beiden weiteren Indizien interessant: Zum einen hat Vishnu Reddy mit seinen Studenten an der University of Arizona bei den beiden finalen Passagen des taumelnden Objekts an der Erde am 21. Januar und 7. Februar mit den RAPTORS, den Teleskopen des Rapid Astronomical Pointing for Optical Reflectance Spectroscopy auf dem Universitätscampus Lichtkurven des Objekt aufgenommen und diese mit den üblichen, bekannten Lackierungen von Space-X-Boostern und Langer-Marsch-Raketen verglichen, mit dem Ergebnis, dass die Sonnenlicht-Reflexionen eindeutig der chinesischen Hardware zugeordnet werden können.

Bestätigung durch die "Manfred Memorial Moon Mission"?

Und zuletzt kommt noch Manfred ins Spiel, die "Manfred Memorial Moon Mission" oder auch 4M-Mission. Dabei handelt es sich um eine kleine, 60 mal 26 mal 10 Zentimeter große Mondsonde und einem Amateurfunksatelliten mit insgesamt 14 Kilogramm Masse, die in der Oberstufe von Chang’e 5-T1 mit zum Mond geschossen wurde. Am Mond sollte sie die kosmische Strahlung untersuchen, aber auch ein Amateurfunkexperiment durchführen. Sie wurde dem 2014 verstorbenen, aus Südtirol stammenden Raumfahrtingenieur Manfred Fuchs gewidmet, dem Gründer der in Raumfahrtkreisen bekannten Firma OHB in Bremen, deren luxemburgische Tochter LuxSpace die Huckepack-Mission gemeinsam mit der Chinesischen Weltraumagentur CNSA durchführte.

Quelle: NASA/GSFC/ASU
Der Impakt hat eine ähnliche Größenordnung wie das Auftreffen der Saturn IV-B-Oberstufe der Apollo-13-Mission 1970.

Professor Fuchs war noch an den Vorbereitungen zu diesem Experiment beteiligt. Tatsächlich war es weltweit die erste private Mission zum Trabanten der Erde. Kernstück waren ein Dosimeter zur Strahlungsmessung und ein Sender. Die Mission flog am 28. Oktober 2014 erstmals am Mond vorbei und endete im Dezember 2014 – und hinterließ natürlich Spuren, den Datenverkehr: Bill Gray sagt, dessen Parameter fügten sich hervorragend in sein Bild von den Abläufen und würden noch mal die Version mit der chinesischen Oberstufe bestätigen.

Da das 4M-Paket immer noch an der Stufe befestigt ist, wird Luxemburg, so steht es auf den englischen Wikipedia-Seiten zu 4M, „das achte Land sein, das die Oberfläche des Mondes erreicht“. Bisher sind dies die UdSSR mit dem ersten Impakt überhaupt gelungen, Luna 2 im Jahre 1959, dann die USA, Europa (SMART-1), Indien (Chandrayaan-1, gegenwärtig ist Chandrayaan-2 aktiv im Orbit), China mit den wissenschaftlich sehr erfolgreichen Chang’e-Missionen 1 bis 5, Japan (Hiten, 1990) und Israel mit der 2019 gescheiterten Mission Beresheet.

Quelle: NASA/GSFC
Gegenwärtig befinden sich zwei Orbiter in der Mondumlaufbahn: die indische Mission Chandrayaan-2 und der seit 2009 den Mond kartierende Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA (Bild). Mit der LROC-Kamera könnten bereits Ende März Fotos von der Absturzstelle von Chang’e 5-T1 aufgenommen werden.
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Über den Autor

Ulrich Köhler ist Planetengeologe am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. Dort gehört er - kaum, dass er über 30 Jahre beim DLR ist - mittlerweile auch schon zum "spätmittelalterlichen" Eisen und kann mit Begriffen wie Apollo, Viking oder Voyager im Gegensatz zu manchem Masterstudenten noch etwas anfangen. zur Autorenseite