13. September 2017

Der Cos­mic Dust Ana­ly­zer: Ein Ge­mein­schaftspro­jekt von Max-Planck und DLR

Sa­turns E-Ring
Bild 1/5, Credit: NASA/JPL/Space Science Institute.

Saturns E-Ring

Sa­turns brei­ter und dif­fu­ser E-Ring be­steht haupt­säch­lich aus mi­kro­sko­pisch klei­nen si­li­ka­ti­schen Staub­teil­chen und win­zi­gen Eis­körn­chen von Was­ser, Koh­len­di­oxid und Am­mo­ni­ak, die et­wa ein Tau­sends­tel ei­nes Mil­li­me­ters groß sind. Die­se Teil­chen sind klei­ner als ro­te Blut­kör­per­chen - mit dem Cos­mic Dust Ana­ly­zer auf der Cas­si­ni-Raum­son­de aber mü­he­los auf­zu­spü­ren. Der E-Ring ist der zweit­äu­ßers­te Ring des Sa­turn und er­streckt sich zwi­schen den Um­lauf­bah­nen von Mi­mas und Ti­tan bis in ei­ne Ent­fer­nung von fast ei­ner Mil­li­on Ki­lo­me­ter vom Sa­turn­mit­tel­punkt. An­ders als die hauch­dün­nen Hauptrin­ge A bis G gleicht der E-Ring mit ei­ner Di­cke von 2000 Ki­lo­me­tern eher ei­nem Wulst. Der hel­le Punkt auf dem Bild ist Ence­la­dus, des­sen Kryo­vul­ka­ne den E-Ring mit klei­nen Eis­teil­chen ver­sor­gen.
Der Cos­mic Dust Ana­ly­zer
Bild 2/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Der Cosmic Dust Analyzer

Auf­ga­be des Cos­mic Dust Ana­ly­ser (CDA) auf der Raum­son­de Cas­si­ni ist die Un­ter­su­chung von Staub­par­ti­keln im Hin­blick auf ih­re elek­tri­sche La­dung, Ge­schwin­dig­keit, Flug­rich­tung, Mas­se und che­mi­sche Zu­sam­men­set­zung im in­ter­pla­ne­ta­ren Raum. Die me­cha­ni­schen Bau­tei­le des In­stru­ments ein­schließ­lich ei­nes Dreh­tischs, mit dem das Ge­rät un­ab­hän­gig vom Raum­fahr­zeug auf er­war­te­te Stau­ban­samm­lun­gen aus­ge­rich­tet wer­den kann, wur­den vom DLR-In­sti­tut für Pla­nen­ten­for­schung ent­wi­ckelt und ge­fer­tigt. Der CDA wur­de zum ei­nen für die Un­ter­su­chung kleins­ter Eis- und Staub­par­ti­kel aus dem Sa­turn­sys­tem und dort ins­be­son­de­re der Rin­ge ein­ge­setzt, kann aber auch in­ter­pla­ne­ta­ren Staub von Ko­me­ten und Aste­ro­iden oder auch in­ter­stel­la­ren Staub nach­wei­sen.
Kos­mi­scher Staub in der Ebe­ne der Erd­bahn um die Son­ne
Bild 3/5, Credit: ESO/Y. Beletsky.

Kosmischer Staub in der Ebene der Erdbahn um die Sonne

Das Bild zeigt das so­ge­nann­te Zo­dia­kal­licht - von der Son­ne an­ge­strahl­ter in­ter­pla­ne­ta­rer Staub. Der Na­me rührt vom la­tei­ni­schen Wort für den Tier­kreis her, dem Zo­dia­kus, der ei­ne et­wa 20 Grad brei­te Zo­ne be­schreibt, durch die im Jah­res­lauf al­le zwölf Stern­bil­der wan­dern. Es ist nur bei dunk­lem Nacht­him­mel oh­ne Licht­ver­schmut­zung und stö­ren­des Mond­licht als drei­ecks­för­mi­ges Leuch­ten zu se­hen. Die­ses Fo­to ist im Sep­tem­ber 2009 am La Sil­la-Ob­ser­va­to­ri­um der Eu­ro­päi­schen Süd­stern­war­te ESO in Chi­le ent­stan­den, mit Blick Rich­tung Wes­ten – nur we­ni­ge Mi­nu­ten nach Son­nen­un­ter­gang. Ein Wol­ken­meer be­deckt das Tal un­ter­halb von La Sil­la, das auf ei­ner Hö­he von 2400 Me­tern liegt. Der­ar­ti­gen in­ter­pla­ne­ta­ren Staub un­ter­such­te die Raum­son­de Cas­si­ni mit dem Cos­mic Dust Ana­ly­zer (CDA) zu­nächst 1997 bis 2004 auf ih­rem Weg zum Sa­turn, und dann über 13 Jah­re lang im Sa­turn­sys­tem.
Po­si­ti­on des CDA
Bild 4/5, Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute.

Position des CDA

Die­ses Bild zeigt die Po­si­ti­on des Cos­mic Dust Ana­ly­zers (CDA) an der Raum­son­de Cas­si­ni. Das Ge­rät kann mit ei­nem Schritt­mo­tor, der ma­xi­mal fünf Watt ver­braucht, mit ei­ner Dreh­ge­schwin­dig­keit von zehn Grad pro Mi­nu­te um 270 Grad ge­schwenkt wer­den.
Die Eis­fon­tä­nen des Ence­la­dus
Bild 5/5, Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute.

Die Eisfontänen des Enceladus

Mit dem CDA konn­ten mi­kro­sko­pisch klei­ne Par­ti­kel ana­ly­siert wer­den, die aus den Fon­tä­nen des Ence­la­dus stam­men. Ih­re Zu­sam­men­set­zung weist auf ei­ne hy­dro­ther­ma­le Ak­ti­vi­tät im In­nern des Sa­turn­mon­des hin.
  • Der deutsche Instrumentenbeitrag an den zwölf Experimenten von Cassini - das weltweit immer noch einmalige Instrument CDA - ist von unermesslichem Wert für die Wissenschaft.
  • Die Messungen und die beim Bau gewonnene Expertise bilden heute die Basis für zahlreiche neue Missionen zu den Jupitermoden Europa und Ganymed sowie dem Saturnmond Enceladus.
  • Der CDA wurde als Gemeinschaftsprojekt des DLR-Instituts für Planetenforschung und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik entwickelt und gebaut.
  • Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Planetenforschung

Insgesamt 18 wissenschaftliche Instrumente befinden sich auf Cassini-Huygens. Eines davon ist der Cosmic-Dust-Analyzer (CDA), der Eis- und Staubpartikel im Saturnsystem analysiert. Das Besondere an diesem weltweit immer noch einmaligen Instrument ist, dass es gleichzeitig elektrische Ladung, Geschwindigkeit, Flugrichtung und Masse einzelner Teilchen bestimmen kann. Der CDA, gerne etwas despektierlich auch als "kosmischer Staubsauger" bezeichnet, wurde als Gemeinschaftsprojekt des Instituts für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin Adlershof und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPI-K) entwickelt und gebaut.

Die Untersuchung von Staub im Sonnensystem - das hört sich zunächst nicht sehr aufregend an. Doch der Staub, der in den scheinbar unendlichen Weiten des Sonnensystems anzutreffen ist, verrät einiges über das Sonnensystem und seine Frühzeit, aber auch seine galaktische Umgebung. Die meisten kosmischen Staubpartikel haben eine Größe von wenigen Molekülen bis zu einem Mikrometer, also einem Tausendstel Millimeter. Darunter fällt auch, was volkstümlich gelegentlich als "Sternenstaub" bezeichnet wird. Wissenschaftlich betrachtet handelt es sich bei Sternenstaub (Stardust) um Mineralstäube, die bei Sternengeburten entstanden sind und Teil des interstellaren Mediums sind, also nicht aus unserem Sonnensystem stammen. Solcher Sternenstaub findet sich gelegentlich in kleinen Kügelchen, den kohligen Chondriten, als Bestandteil von Meteoriten, die sich als "Planetesimale" (den Urbausteinen der Körper des Sonnensystems) vor viereinhalb Milliarden Jahren in der Scheibe aus Staub und Gas um die Sonne gebildet haben. "Echter" Sternenstaub ist demnach also auch älter als die Erde und stammt von Sternen, die vor der Sonne entstanden sind.

Staub ist nicht gleich Staub

Demnach gibt es intergalaktischen Staub, also Staub, der nicht aus der Milchstraße, sondern einer anderen Galaxie stammt, interstellaren Staub, der von anderen Sternen in unserer Galaxis stammt, sowie interplanetaren Staub aus dem Sonnensystem. Letzterer ist für das als Zodiakallicht bekannte Leuchtphänomen verantwortlich. Es ist eine schwach leuchtende Erscheinung in der Ebene der Bahn der Erde um die Sonne, der Ekliptik, in der auch die Sternzeichen des Tierkreises zu sehen sind. Dabei wird Sonnenlicht an den Partikeln des interplanetaren Staubs in der Planetenebene gestreut. Man schätzt, dass jedes Jahr etwa 40.000 Tonnen kosmischen Staubs in die Erdatmosphäre eintritt und dort verglüht.

Nach der Mission Galileo zum Jupiter wurde auch für Cassini beschlossen, einen Staubanalysator als Experiment mitzuführen. Für die Entwicklung und den Bau wurde im Jahr 1991 die Zusammenarbeit zwischen dem MPI-K und dem DLR beschlossen. Das MPI-K hatte die wissenschaftliche Leitung unter Professor Eberhard Grün inne; als Professor Grün in den Ruhestand wechselte, übergab er die Leitung an Dr.-Ing. Ralf Srama, der heute am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart forscht und lehrt. Das DLR übernahm unter der Leitung von Dr. Franz Lura, der auch Mitglied des CDA-Wissenschaftsteam ist, die Entwicklung des Thermaldesigns, den Bau der gesamten Mechanik inklusive der Drehplattform sowie die Entwicklung der Algorithmen zur Datenkompression. Es führte außerdem die Kontaminationsstudien durch, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse der auf die Detektoren treffenden Staubteilchen eindeutig von kosmischem Staub und nicht von Verunreinigungen stammen. In diesem Zusammenhang wurden unter anderem Studien zur Verarbeitung des in einer "Bienenwaben"-Struktur gebauten großen Sensorgehäuses aus Aluminium und zur Herstellung der hintereinander angeordneten, hochtransparenten Durchlassgitter erstellt. Diese ermöglichen es den Staubteilchen quasi ungehindert in den Staubsammelbehälter zu gelangen.

Auch nach 18 Jahren funktioniert alles reibungslos

Technologisch anspruchsvoll war auch das Beulen eines Einschlagssensors aus dem äußerst spröden und harten Metall Rhodium für das integrierte Massenspektrometer, mit dem die chemische Zusammensetzung der Staubteilchen bestimmt wird. In aufwendigen Versuchsreihen bestehend aus zahlreichen Heiz- und Kühlzyklen konnte eine Lösung für die geforderte Form der "Trefferfläche" erreicht werden. Des Weiteren wurden Qualifikationstests unter der Aufsicht des DLR geplant und durchgeführt sowie ein Struktur- und Thermalmodell erstellt. Das Design von Schnittmustern für die Thermalisolation (Multi-layer insulation, MLI) und die Fertigung derselben (in Handarbeit) gehörte ebenfalls zum Arbeitspaket des DLR.

Als das Jet Propulsion Laboratory 1992/1993 zahlreiche Kosteneinsparungen für die Cassini-Mission beschloss, bedeutete das eine unerwartete Aufstockung der DLR-Arbeitspakete. Um ein großes Gesichtsfeld des CDA im wissenschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, war ursprünglich geplant, dass der CDA auf einer mit dem Körper der Raumsonde verbundenen Drehplattform angebracht sein würde. Das neue Design der Cassini-Sonde erforderte wegen fehlender Drehplattformen jedoch eine Befestigung des CDA direkt an der Raumsonde Dadurch wären wissenschaftliche Messungen nur noch eingeschränkt möglich gewesen, weil ein Drehen der gesamten Sonde exklusiv für CDA-Messungen zu ständigen Konflikten mit anderen Experimenten geführt hätte. Außerdem wäre das Drehen nur sehr träge zu bewerkstelligen gewesen. So wurde dort, wo der CDA an der Raumsonde angebracht werden sollte, eine eigene Drehplattform entwickelt, die beim DLR-Institut für Planetenforschung erfolgreich gebaut und qualifiziert wurde. Sie ermöglichte immerhin eine Abdeckung von 270 Grad des Raums. Trotz seines täglichen Einsatzes zeigt der Drehmechanismus über seine Nutzungsdauer von 18 Jahren noch immer die ursprüngliche Performance.

CDA-Messungen bis zur allerletzten Minute

Ein weiterer Erfolgsfaktor für die wissenschaftlichen Ergebnisse des CDA war die extrem kontrollierte Sauberkeit der verwendeten Materialien und Prozesse. Buchstäblich bis zur letzten Minute der Mission werden Daten mit dem integrierten Flugzeitmassenspektrometer gewonnen, die zur Grundlage in der Astrobiologie geworden sind. Welche Bedeutung dieses einfache Spektrometer erlangen sollte, war damals nicht absehbar. Der einzige deutsche Instrumentenbeitrag an den zwölf Experimenten von Cassini - das weltweit immer noch einmalige Instrument CDA - ist heute von unermesslichem Wert für die Wissenschaft. Die Messungen und die beim Bau gewonnene Expertise bilden heute die Basis für zahlreiche neue Missionen zu den Jupitermoden Europa und Ganymed sowie dem Saturnmond Enceladus.

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