Raumfahrt | 09. Oktober 2023 | von Ulrich Köhler

Öfter mal was Neues: Die NASA-Sonde Psyche startet, um ab 2029 erstmals einen Asteroiden aus Metall zu untersuchen

Die Raumsonde Psyche untersucht ab 2029 den gleichnamigen Asteroiden.
Quelle: NASA/JPL-Caltech
Wenn die Raumsonde Psyche den gleichnamigen Asteroiden (16) Psyche ab 2029 untersuchen wird: Werden die Landschaften auf diesem metallreichen Asteroiden so bizarr aussehen, wie es sich ein Künstler für die jüngste NASA-Mission auf Grundlage der von der Wissenschaft angenommenen Modelle vorstellt? Was auch immer von Psyche zur Erde an Fotos übertragen wird – diese Mission ist ein Novum in der Raumfahrt und Planetenforschung.

Wer denkt, dass es in der nunmehr 66 Jahre „alten“ Raumfahrt alles schon einmal gegeben hat, der kann auch heute immer noch Überraschungen erleben. Am 12. Oktober 2023 beginnt die NASA-Mission Psyche, die ab 2029 einen Himmelskörper untersuchen wird, dessen Eigenschaften bei allen bisherigen Objekten der Planetenforschung noch nie angetroffen wurden. Es handelt sich um den Asteroiden (16) Psyche, einen etwa 226 Kilometer durchmessenden Planetoiden im ausgedehnten Asteroiden-Hauptgürtel zwischen den Planeten Mars und Jupiter. Nach allem, was man bisher weiß, besteht er fast vollständig oder zumindest zu sehr großen Anteilen aus den Metallen Eisen, Nickel und Kobalt, und auch die begehrten Edelmetalle Gold, Silber und Platin dürften vorhanden sein. Also ein richtig „schwerer Brocken“ im Vergleich zu den Hunderttausenden anderen Asteroiden.##markend##

Es ist das erste Mal in der Geschichte der Planetenforschung, dass eine Raumsonde nicht einen Körper aus Fels, Gestein oder Eis besuchen wird, sondern eben ein Ziel ansteuert, das hauptsächlich aus Metallen besteht. Solche Körper sind sehr selten im Sonnensystem. Von etwa einer Million bekannter Asteroiden mit Durchmessern von mehr als einhundert Metern, das lässt sich aus Spektral- und Radarmessungen mit Teleskopen auf der Erde und der Parameter ihrer Umlaufbahnen ableiten, sind nur neun vergleichbare Metall-Asteroiden bekannt. (16) Psyche, wegen des hohen Metallanteils als M-Klasse-Asteroid eingeordnet, ist der größte (und gehört damit auch zu den zehn größten Asteroiden) unter ihnen. Bereits der zweitgrößte Metallasteroid, (216) Kleopatra, hat einen größten Durchmesser von nur 122 Kilometern.

Quelle: NASA/JPL-Caltech
Psyche ist eine eher „kleine“ und kostengünstige Mission im Programm der ungemein erfolgreichen Discovery-Klasse der NASA. Die Masse der Raumsonde beträgt 2.747 Kilogramm. Nach dem Start im Oktober 2023 soll sie ihr Ziel, den Asteroiden (16) Psyche, im August 2029 erreichen.

Die Mission Psyche soll nach einem nahen Vorbeiflug am Mars im Mai 2026, der die Sonde beschleunigen und auf ihren endgültigen Kurs zu ihrem Ziel bringen wird, im August 2029 am gleichnamigen Asteroiden ankommen. In den folgenden 26 Monaten wird die Mission aus vier unterschiedlich hohen, zwischen 709 Kilometern und 75 Kilometern Höhe über der Asteroidenoberfläche angelegten und verschieden orientierten Umlaufbahnen ihre wissenschaftlichen Aufgaben erfüllen.

Quelle: NASA/JPL-Caltech
Nach dem Start wird die Psyche-Raumsonde 100 Tage auf Herz und Nieren getestet, ehe sie mit dem Ionenantrieb beschleunigt. Im Mai 2026 wird die Sonde durch einen Nahvorbeiflug am Mars noch einmal schneller und dabei die heliozentrische Ellipse gedehnt. Im August 2029 soll sie den Asteroiden (16) Psyche erreichen und diesen Asteroiden in einer neuen Umlaufbahn aus vier unterschiedlichen Orbits (A-B-D-C) untersuchen.
Quelle: NASA/JPL-Caltech
Psyche wird den gleichnamigen Asteroiden aus vier unterschiedlichen Umlaufbahnen mit verschiedenen räumlichen Orientierungen beobachten. Die Reihenfolge der Orbits während der 26-monatigen nominellen Missionsphase ist A-B-D-C.

Vier wissenschaftliche Experimente

Dafür werden vier Experimente durchgeführt, mit drei Instrumenten und der Auswertung des X-Band-Radiowellen-Funkverkehrs zwischen Bodenstationen und Raumsonde (Dehnung und Stauchung der Funkwelle, „Dopplereffekt“). Damit kann gemessen werden, wie Psyche den Orbit der Sonde beeinflusst. Daraus wiederum lassen sich Rotation, Masse und Schwerefeld des Asteroiden ableiten, was weitere Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und Struktur im Innern des Körpers ermöglicht. Psyche ist keine Kugel, eher etwas kartoffelförmig und hat daher eine ungleiche Massenverteilung. Deshalb sind diese Informationen besonders wichtig für einen sicheren Orbit und vor allem auch, um den Treibstoffverbrauch für Korrekturen der Umlaufbahn zu optimieren.

Ganz ähnlich wie bei der Maßstäbe setzenden NASA-Mission Dawn (2007-2016) zum Asteroiden Vesta und zum Zwergplaneten Ceres sind Kameras mit an Bord: ein redundantes System aus zwei baugleichen Multispektralkameras, die Aufnahmen im Ultravioletten, im sichtbaren Licht und dem nahen Infrarot machen werden. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird vor allem mit der Verarbeitung dieser Bilddaten wissenschaftliche Beiträge zur Mission leisten. Die Planetengeodäsie des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin-Adlershof ist spezialisiert auf die Berechnung digitaler Geländemodelle der Oberflächen von Planeten, Monden und kleinen Körpern im Sonnensystem. Die Aufnahmesequenzen sind so geplant, dass sie sich seitlich und in Flugrichtung teilweise überlappen. Diese Stereo-Bildabdeckung ermöglicht die dreidimensionale Visualisierung der Psyche-Oberfläche und die Erfassung ihrer Topographie in großer Genauigkeit. So entsteht ein für die wissenschaftliche Auswertung wichtiger Datensatz. Die höchsten Bildauflösungen werden etwa 20 Meter große – oder kleine – Landschaftsdetails sichtbar machen. Mit acht Farbfiltern ausgestattet, lassen sich mit dem Kamerasystem auch Karten der Mineralogie von (16) Psyches Oberfläche erstellen. Ferner werden ein Gammastrahlen- und Neutronendetektor die chemischen Elemente, die das noch gänzlich unbekannte metallene Terrain bilden, analysieren. Schließlich wird ein Magnetometer (mehr dazu später) Stärke, Orientierung und „Geschichte“ eines bei einem metallreichen Körper sehr wahrscheinlich noch vorhandenen Magnetfeldes messen.

Quelle: NASA/JPL-Caltech
Sieht anders aus als unsere Handy-Kameras, ist aber eben auch eine wissenschaftliche Kamera: Einer der beiden baugleichen „Imager“, der seit Jahrzehnten großartige Aufnahmesysteme für die Planetenforschung bereitstellenden Firma (Mike) Malin Space Science Systems aus San Diego (Kalifornien), die an (16) Psyche Bilder von bis zu 20 Metern Auflösung liefern wird. Sie werden am DLR zu digitalen Geländemodellen verrechnet. Die Kameras beobachten mit acht Filtern in Wellenlängen des nahen UV, sichtbaren Lichts und des nahen Infrarots.
Quelle: NASA/JPL-Caltech
Ingenieure im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena beginnen mit der Integration der vier Hall-Triebwerke, die den Schub für die Psyche-Mission erzeugen. Die Triebwerke funktionieren, indem sie das neutrale Edelgas Xenon ionisieren. Wenn die Xenon-Ionen aus dem Triebwerk durch Magnetfelder beschleunigt werden, erzeugen sie den Schub, der das Raumschiff antreibt – gering, aber über Monate und Jahre.
Quelle: NASA/JPL-Caltech
Mit einem Nahinfrarotlaser wird die Psyche-Mission eine Technologiedemonstration für zukünftige Raumfahrtunternehmungen durchführen: Das Experiment DSOC (Deep Space Optical Communication) wird zum ersten Mal eine neue Technik der Datenübertragung mit Lasern aus Entfernungen jenseits des Mondes (400.000 Kilometer Entfernung) testen, um mit weniger Masse größere Datenmengen austauschen zu können. Es geht dabei um eine Steigerung von bis zu tausendmal größeren Datenvolumina. Dies wird auf dem Weg zu (16) Psyche in den ersten beiden Jahren getestet, nicht am Asteroiden selbst. Beispielsweise für zukünftige Marsmissionen wäre ein erfolgreicher Test ein bahnbrechender Fortschritt. Das Bild zeigt den Sender vor seinem Einbau in die Sonde.

Was geschah vor viereinhalb Milliarden Jahren?

Wie immer bei der Erforschung von Asteroiden geht es auch bei der Psyche-Mission darum, weitere Erkenntnisse über die noch nicht vollständig verstandene früheste Zeit des Sonnensystems zu gewinnen. Asteroiden sind Überbleibsel aus der Zeit vor etwa 4,56 Milliarden Jahren, als sich nach der Sonne in der sie umgebenden, rotierenden Scheibe aus Staub, Gas und Eis in nur wenigen Zehnermillionen Jahren die Planeten geformt haben. Kleinste Molekülketten verbanden sich zu Materieklumpen, dann zu „Chondren“ (Kügelchen), wie sie in Meteoriten anzutreffen sind, und schließlich zu sogenannten Planetesimalen – den festen Bestandteilen, aus denen sich die Körper des inneren Sonnensystems mit festen Oberflächen gebildet haben. Auch im äußeren Sonnensystem, ab der Bahn des Planeten Jupiter, entstanden auf diese Art und Weise vermutlich Planetenkerne. Doch zogen diese mit ihrer gewaltigen Masse in der größeren Entfernung zur Sonne und damit kälteren Umgebung die dort viel stärker konzentrierten Gase an, was die vier äußeren Planeten zu riesigen Planeten anwachsen ließ.

Quelle: NASA/JPL-Caltech/ASU
Zwei auf Modellen beruhende Vorstellungen der Realität am Asteroiden (16) Psyche – ein Körper, dessen metallische und Gesteinsbestandteile eher getrennt vorliegen (links), oder ein Asteroid mit einer eher homogenen Mischung aus Metall- und Gesteinskomponenten (rechts).

Eines der Rätsel bei der Entstehung und Entwicklung der vier inneren Planeten Merkur, Venus, Erde (mitsamt ihrem Mond) und Mars ist, wie sich die Stoffe zu planetaren Kugeln zusammenballten. Sie erhitzten sich dann stark durch den Zerfall radioaktiver Elemente, waren bald zu großen Anteilen geschmolzen und konnten sich dadurch in die unterschiedlichen chemischen Bestandteile entmischen. Man geht davon aus, dass sich die jungen Planeten „differenzierten“, die Stoffe sich also trennten und dadurch ein schalenförmiger Aufbau entstand. Bei diesem Prozess bildete sich jeweils ein Planetenkern (mit den schwersten Elementen, den Metallen), darüber ein teils geschichteter Mantel aus Gesteinen mit schweren, eisen- und magnesiumreichen Mineralen und darüber eine Kruste aus Gesteinen, aufgebaut aus leichteren Elementen wie Silizium und Aluminium.

Gestattet (16) Psyche den Blick auf einen ehemaligen Planetenkern?

Das Innere der Erde, und erst recht das der benachbarten Planeten, ist direkten Messungen oder gar Beobachtungen entzogen. Das tiefste Bohrloch auf der Erde piekst nicht einmal 14 Kilometer in die Erdkruste – bis zum Zentrum des Erdkerns sind es dann noch mehr als 6.350 Kilometer. Jules Vernes „Reise zum Mittelpunkt der Erde“ von 1864 ist also nicht nur eine belletristische Utopie, es ist wissenschaftlich schlicht unmöglich, mit Messgeräten dorthin zu gelangen. Die Wissenschaft ist deshalb auf die Auswertung indirekter Beobachtungen wie die Messung der Geschwindigkeit von Erdbebenwellen angewiesen, oder auf (daraus abgeleiteten) geophysikalische Modelle.

Das führt uns zurück zur Mission Psyche: Warum gibt es diesen so massereichen, metallischen Ausnahme-Asteroiden überhaupt? Eine der plausibelsten Überlegungen ist, dass (16) Psyche nur der Rest eines ehemals größeren und auch schon differenzierten Protoplaneten ist, dessen Stoffe sich in Kruste, Mantel und Kern getrennt haben. Und dann in der extrem unruhigen Frühphase des Sonnensystems, in den ersten hundert Millionen Jahren seiner Existenz, mit einem anderen Planetenembryo kollidierte. Das geschah ganz gewiss sehr häufig, auch am Asteroiden (3) Vesta war das der Fall, wie die Dawn-Mission herausgefunden hatte. Bei Vesta wurde der Gesteinsmantel möglicherweise von einer größeren „Proto-Psyche“ mit mehreren hundert Kilometern Durchmesser weggesprengt. Übrig blieb fast nur der Kern, vorwiegend bestehend aus metallischen Komponenten. So die einfachste Theorie.

Quelle: NASA/JPL-Caltech
Die Psyche-Raumsonde wird auf ihrer interplanetaren Route von einem Ionenantrieb beschleunigt. Zum ersten Mal seit der ESA-Mondmission SMART-1 (2003/4) verwendet nun auch die NASA ein sogenanntes Hall-Triebwerk. Dabei wird über Solarstrom ein Plasma des Edelgases Xenon erzeugt, das beim Betrieb des Triebwerks ein blaues Leuchten ausstrahlt. Wenn die Xenon-Ionen aus dem Triebwerk beschleunigt werden, erzeugen sie den Schub, der das Raumschiff zum Ziel bringt.

Jules Verne stand ein wenig Pate für die Mission

Die Mission Psyche soll genau dieses Szenario überprüfen. Verhielte es sich so, dass wir heute mit dieser außergewöhnlichen Mission also den Kern eines Protoplaneten beobachten könnten, dann wäre dies eine einmalige Konstellation: Kommen wir bei den Planeten im inneren Sonnensystem nicht „an den Kern“ eines solchen Körpers heran, so wäre dies bei (16) Psyche eben vielleicht doch möglich – wie bei Jules Verne eine Reise zum „Mittelpunkt“, nun, nicht der Erde, sondern zu einem ähnlichen terrestrischen, aber seines Gesteinsmantels entledigten Protoplaneten zu unternehmen.

Es gibt allerdings auch andere Szenarien, die diskutiert werden. Vielleicht ist (16) Psyche gar nicht das Ergebnis eines vergleichbaren Prozesses wie bei Erde oder Mars. Vielleicht verlief die Entwicklung des metallischen Sonderlings anders als bei den erdähnlichen Planeten. Vielleicht stammt er nicht einmal aus den Zonen, in denen sich die terrestrischen Planeten gebildet haben, sondern von weiter draußen im Sonnensystem – oder weiter innen. Hier hofft das Psyche-Team vor allem auf die Messungen mit dem Magnetometer. Mit ihnen soll herausgefunden werden, ob der metallische Körper tatsächlich einst komplett geschmolzen war (dann ist das Szenario eines differenzierten, erdähnlichen Protoplaneten eher wahrscheinlich), oder nur teilweise oder gar nicht (dann war es anders als beispielsweise bei der Erde).

Wie auch immer das Ergebnis der ungewöhnlichen Mission der NASA ausfallen wird, es wird zur Interpretation der Ereignisse vor etwa viereinhalb Milliarden Jahren ein hochinteressantes, wichtiges Kapitel hinzufügen. Psyche ist eine Mission ins Unbekannte, und es ist eine so ungewöhnliche Mission, dass an ihrem Ende die Geschichte der Frühzeit des Sonnensystems vielleicht sogar umgeschrieben werden muss.

Quelle: NASA/JPL-Caltech
Das Team der Psyche-Mission vor dem Hauptgebäude des Jet Propulsion Laboratory der NASA im kalifornischen Pasadena. Dutzende von Deep-Space-Missionen wurden dort seit 1960 im Norden von Los Angeles gebaut, gesteuert und ausgewertet.

P.S.:
Zu Beginn wurde erwähnt, dass neben den „banalen“ Metallen Eisen oder Nickel auch Edelmetalle auf (16) Psyche vorhanden sein dürften – wie sie eben im solaren Urnebel auch mehr oder weniger homogen und „statistisch“ verteilt waren und in die Planeten „eingebaut“ wurden. Ist (16) Psyche also eine unglaublich ergiebige Rohstoffquelle der Zukunft? Die wissenschaftliche Leiterin der Mission Psyche, Lindy Elkins-Tanton (Arizona State University) wurde 2017 bei der Bekanntgabe der Mission von den Medien darauf angesprochen. Aus purer Neugierde und Spaß an der Frage hat sie nachgerechnet, was bei den erwarteten, für Metallmeteoriten und -asteroiden üblichen Konzentrationen dieser metallischen „Rohstoffe“ für diese „Bonanza“ denn für ein Marktwert herauskommen würde: Der theoretische Wert summiert sich zu der unglaublichen Summe von zehn Trillionen Euro – eine eins mit 19 Nullen oder zehn Millionen Billionen. „Diese Zahl werde ich nicht mehr los“, sagt sie heute. „Aber wir werden nie in der Lage sein, diese Rohstoffe in die Nähe der Erde zu transportieren. Und selbst wenn: So viele Metalle würden die Märkte überfluten und ihr Preis sofort in den Keller fallen“. So bleibt die Reise von Psyche zu (16) Psyche das, für was die Raumsonde immer vorgesehen war: eine rein wissenschaftliche Mission.

P.P.S.:
Benannt ist der Asteroid (16) Psyche, und damit auch die gleichnamige Mission, nach einer sterblichen Prinzessin in der griechischen Mythologie, die so wunderschön gewesen sein soll, dass selbst die Göttin der Schönheit, Aphrodite, eifersüchtig wurde und um ihren eigenen Mythos fürchtete, die schönste Frau in der Götterwelt des Olymps zu sein. So sandte sie ihren Sohn Eros, den Gott der Liebe, auf die Erde, um Psyche dahingehend zu beeinflussen, dass sie sich in eine hässliche und böse Kreatur verliebe. Was geschah? Als Eros die schöne Psyche erblickte, verliebte er sich sogleich selbst in sie und ignorierte der göttlichen Mutter Befehl. Psyche ist im Altgriechischen das Wort für Hauch, Seele, Atem und Schmetterling. Es gibt auch einen Asteroiden (433) Eros, vom Astronomen Gustav Witt 1898 mit dem berühmten ‚Bamberg-Refraktor‘ auf der Berliner Sternwarte entdeckt, der mit maximal 30 Kilometer Durchmesser viel kleiner ist als (16) Psyche. Aber es ist ein Erdbahnkreuzer und wird deshalb genau beobachtet. (433) Eros, der zur Gruppe der Amor(!)-Asteroiden gehört, war der erste Asteroid, der nicht nach einer Frau benannt wurde – weil es der erste Asteroid war, der nicht zwischen Mars und Jupiter kreist, sondern die Erdbahn kreuzt. Er war der erste Asteroid, der von einer Raumsonde umkreist wurde, das war in den Jahren 2000 und 2001 die NASA-Mission NEAR Shoemaker.

Daten zur Mission Psyche

Mission: Psyche
Betreiber: NASA (Discovery-Klasse)/Jet Propulsion Laboratory
Hauptexperimentator: Prof. Dr. Lindy Elkins-Tanton (Arizona State University)
Deutsche Beteiligung: Dr. Thomas Roatsch, Dr. Katharina Otto, Frank Preusker (DLR)
Prof. Dr. Ralf Jaumann (FU Berlin)
Start: 12. Oktober 2023 (Startfenster bis 25. Oktober 2023); 16:16 Uhr MESZ
Startort: Kennedy Space Center, Florida (USA); Startkomplex 39A
Trägerrakete: Falcon Heavy (SpaceX)
Transfer zu (16) Psyche: 3,6 Milliarden Kilometer (Marsvorbeiflug: Mai 2026)
Wissenschaftliche Mission an (16) Psyche: August 2029 bis November 2031
Wissenschaftliche Experimente: vier: zwei baugleiche Multispektralkameras (8 Filter UV-VIS-NIR), Magnetometer, Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer, Funkverkehranalyse
Raumsonde: 2.747 Kilogramm Masse
Größe: Raumsonde: 4,9 m x 2,0 m x 2,4 m
mit Solarpanelen: 24,76 m x 7,34 m
Energie: 2,3-3,4 KW am Asteroiden
Antrieb: Ionenantrieb (Hall-Prinzip); 1.082 kg Xenon
Kosten: 900 Millionen Dollar (circa 820 Millionen Euro)
Ziel: Asteroid (16) Psyche
Umlaufzeit: 5,0 Jahre
Größe: max. 226 Kilometer Durchmesser
Oberfläche: circa 130.000 km2 (entspricht etwa der Fläche Griechenlands)
Masse: 2,3 x 1019kg (entspricht 1/260.000 Erdmasse)
Rotationsperiode: 4,2 Stunden
Dichte: 3.400-4.100 t/m3
Rückstrahlvermögen: 15 Prozent
Entfernung: 2,5 bis 3,3 AU (Astronomische Einheiten)
375-495 Millionen Kilometer Sonnenentfernung
Entdecker: Annibale de Gaspari (17.3.1852, Neapel)
Quelle: NASA/JPL-Caltech
Psyche wird nach dem Start vom Kennedy Space Center nicht erst in eine Erdumlaufbahn gelenkt, sondern auf direktem Weg in eine elliptische Sonnenumlaufbahn gebracht und von dort zu ihrem Ziel, dem Asteroiden (16) Psyche gesteuert.
 
Quelle: NASA/JPL-Caltech
Heute ist es möglich, auch in bis zu fünffacher Entfernung der Erde von der Sonne Raumsonden mit Solarpanelen auszustatten, die genügend Strom für den Missionsbetrieb erzeugen – schließlich nimmt die Sonnenenergie mit dem Quadrat der Entfernung von unserem Zentralstern ab. Die Psyche-Mission wird an ihrem Untersuchungsobjekt mit ihren Solarpanelen zwischen 2,3 und 4,3 Kilowatt Leistung erzeugen.
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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