18. Oktober 2018
Europäisch-japanische Mission erforscht den kleinsten Planeten des Sonnensystems

Missi­on Be­pi­Co­lom­bo: Der lan­ge Weg zum Mer­kur

Künstlerische Darstellung von BepiColombo vor dem Merkur
Künst­le­ri­sche Dar­stel­lung von Be­pi­Co­lom­bo vor dem Mer­kur
Bild 1/5, Credit: ESA/ATG medialab; Merkur: NASA/JPL.

Künstlerische Darstellung von BepiColombo vor dem Merkur

Nach ei­ner sie­ben­jäh­ri­gen Rei­se wird die Missi­on den Mer­kur er­rei­chen. Die So­lar­pa­nee­le des Mer­cu­ry Trans­fer Mo­du­le ver­fü­gen über ei­ne Spann­wei­te von rund 30 Me­tern. In der Mit­te der For­ma­ti­on, mit dem klei­ne­ren So­lar­pa­nel, ist der Mer­cu­ry Pla­ne­ta­ry Or­bi­ter zu er­ken­nen. Dar­über be­fin­det sich der Mer­cu­ry Ma­gne­to­s­phe­ric Or­bi­ter, der Bei­trag der ja­pa­ni­schen Welt­rau­m­agen­tur JA­XA zur Missi­on Be­pi­Co­lom­bo.
BepiColombo am europäischen Weltraumbahnhof in Kourou (Französisch Guyana)
Be­pi­Co­lom­bo am eu­ro­päi­schen Welt­raum­bahn­hof in Kou­rou (Fran­zö­sisch Gu­ya­na)
Bild 2/5, Credit: ESA/CNES/Arianespace/Optique vidéo du CSG - S. Martin.

BepiColombo am europäischen Weltraumbahnhof in Kourou (Französisch Guyana)

Be­pi­Co­lom­bo be­steht aus dem Mer­cu­ry Ma­gne­to­s­phe­ric Or­bi­ter (oben), dem Mer­cu­ry Pla­ne­ta­ry Or­bi­ter (Mit­te) und dem Mer­cu­ry Trans­fer Mo­du­le (un­ten).
Falschfarben-Darstellung des Merkur
Falsch­far­ben-Dar­stel­lung des Mer­kur
Bild 3/5, Credit: NASA/JHU Applied Physics Lab/Carnegie Inst. Washington.

Falschfarben-Darstellung des Merkur

Die MES­SEN­GER-Son­de der NA­SA hat zahl­rei­che Da­ten vom Mer­kur ge­sam­melt, über­wie­gend von der Nord­halb­ku­gel des Pla­ne­ten. Hier wur­de die Ober­flä­che des Mer­kur in Falsch­far­ben dar­ge­stellt, um de­ren mi­ne­ra­lo­gi­schen Be­stand­tei­le bes­ser er­kenn­bar zu ma­chen. Die Ge­stei­ne der Mer­kuro­ber­flä­che ha­ben un­ter­schied­li­che Re­fle­xi­ons­ei­gen­schaf­ten, die erst durch die Kom­bi­na­ti­on von Auf­nah­men mit ver­schie­de­nen Farb­fil­tern sicht­bar wer­den. Pro­mi­nent sicht­bar ist das von vul­ka­ni­schen Ge­stei­nen an­ge­füll­te Ca­lo­ris-Be­cken mit ei­nem Durch­mes­ser von 1500 Ki­lo­me­tern. Da­mit ist es ei­nes der größ­ten Ein­schlags­be­cken auf den Pla­ne­ten und Mon­den im Son­nen­sys­tem.
MERTIS
MER­TIS
Bild 4/5, Credit: DLR/G. Peter.

MERTIS

MER­TIS ist ein ab­bil­den­des Spek­tro­me­ter kom­bi­niert mit ei­nem Ra­dio­me­ter. Das In­stru­ment zeich­net sich durch sei­ne kom­pak­te Bau­wei­se von 18 mal 18 mal 13 Zen­ti­me­tern, ei­ner Mas­se von nur 3,3 Ki­lo­gramm und sei­nen ge­rin­gen Leis­tungs­ver­brauch aus. Die in MER­TIS ein­ge­bau­ten Sen­so­ren sind ein­zig­ar­tig: Der bild­ge­ben­de Ka­nal nutzt ein so­ge­nann­tes un­ge­kühl­tes Mi­kro­bo­lo­me­ter – das ers­te, das in Eu­ro­pa welt­raum­qua­li­fi­ziert wur­de. Das Ra­dio­me­ter nutzt ei­nen nur 3 mal 1 Mil­li­me­ter großen Sen­sor, der di­rekt aus ei­nen Stück Si­li­zi­um ge­ätzt wur­de und gleich­zei­tig als Spalt für das Spek­tro­me­ter dient. Mit MER­TIS wer­den die mi­ne­ra­lo­gi­sche Zu­sam­men­set­zung der Mer­kuro­ber­flä­che so­wie die ge­steins­bil­den­den Mi­ne­ra­le un­ter­sucht. Gleich­zei­tig misst das in­te­grier­te Mi­kro-Ra­dio­me­ter die Tem­pe­ra­tur und die ther­mi­schen Leit­fä­hig­keit des Mer­kur. Von den Da­ten er­hof­fen sich die Wis­sen­schaft­ler Er­kennt­nis­se über die Ent­ste­hung und Ent­wick­lung des Pla­ne­ten.
Das Laseraltimeter BELA auf der ESA-Mission BepiColombo
Das La­seral­ti­me­ter BE­LA auf der ESA-Missi­on Be­pi­Co­lom­bo
Bild 5/5, Credit: Universität Bern.

Das Laseraltimeter BELA auf der ESA-Mission BepiColombo

BE­LA ist das ers­te in Eu­ro­pa ge­bau­te La­ser-Al­time­ter für ei­ne Pla­ne­ten­mis­si­on. Es lie­fert In­for­ma­tio­nen über die glo­ba­le Form, Ro­ta­ti­on und To­po­gra­phie des Mer­kur. In der Mer­kur­um­lauf­bahn sen­det ein Neo­dym-do­tier­ter Yt­tri­um-Alu­mi­ni­um-Gra­nat-La­ser über den Trans­mit­ter (links im Bild) ab ei­ner Hö­he von we­ni­ger als tau­send Ki­lo­me­tern pro Se­kun­de zehn La­ser­pul­se Rich­tung Mer­kur und emp­fängt nach we­ni­gen Mil­li­se­kun­den im Brenn­punkt des Te­le­skops von BE­LA das von der Ober­flä­che re­flek­tier­te Si­gnal (rechts im Bild). Das Te­le­skop hat ei­nen Durch­mes­ser von 20 Zen­ti­me­tern und das ge­sam­te Sys­tem mit Elek­tro­nik ei­ne Mas­se von 15 Ki­lo­gramm). Je hö­her ein Land­schafts­punkt ge­le­gen ist, um so kür­zer ist die Zeit, die der La­se­rim­puls für den Weg zur Ober­flä­che und von dort zum Sen­sor in BE­LA be­nö­tigt. Aus der Lauf­zeit von Mil­lio­nen von La­ser­pul­sen wird im Missi­ons­ver­lauf ein 3D-Mo­dell der ge­sam­ten Ober­flä­che Mer­kurs ent­ste­hen. Zu­dem kön­nen die For­scher aus der Form der re­flek­tier­ten Pul­se die Ober­flä­chen­rau­ig­keit be­stim­men, um phy­si­ka­li­sche und geo­lo­gi­sche Pro­zes­se, die das heu­ti­ge Bild des Pla­ne­ten prä­gen, bes­ser zu ver­ste­hen. Aus Be­stim­mung des Ro­ta­ti­ons­zu­stan­des und der Ge­zei­ten kön­nen au­ßer­dem Rück­schlüs­se auf die in­ne­re Struk­tur und Ent­wick­lung Mer­kurs ge­zo­gen wer­den.
  • Am 20. Oktober 2018 ist um 3.45 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit die Mission BepiColombo an Bord einer Ariane-5-Rakete vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana ins Weltall gestartet.
  • Die aus zwei Sonden bestehende Mission soll unter anderem die Oberfläche und Zusammensetzung des Planeten Merkur erforschen und dessen Magnetosphäre erkunden.
  • Rund sieben Jahre wird die lange Reise der Sonden durch das Innere des Sonnensystems dauern.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Extraterrestrik

Am 20. Oktober 2018 ist um 3.45 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit (19. Oktober 22.45 Uhr Ortszeit) die europäisch-japanische Planetenmission BepiColombo an Bord einer Ariane-5-Rakete vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana ins Weltall gestartet. "Die Mission soll nicht nur den Planeten Merkur erforschen, sondern auch neue Erkenntnisse über unser Sonnensystem liefern", erklärt Dr. Walther Pelzer, Vorstand für das Raumfahrtmanagement im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). "Einmal mehr erweist sich Japan bei dieser enormen Herausforderung als zuverlässiger Partner der Europäer in der Raumfahrt." Rund sieben Jahre wird die lange Reise der Sonde durch das Innere des Sonnensystems dauern.

Zwei Sonden erkunden gemeinsam den Merkur

BepiColombo ist das bisher umfangreichste europäische Projekt zur Erforschung eines Planeten des Sonnensystems. Die Mission besteht aus zwei Sonden, die den Merkur umkreisen werden: dem Mercury Planetary Orbiter (MPO) und dem Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Während MPO darauf ausgelegt ist, Oberfläche und Zusammensetzung des Planeten zu erforschen, erkundet MMO dessen Magnetosphäre. Weitere Ziele der Mission sind die Erforschung des Sonnenwindes, des inneren Aufbaus und des planetaren Umfeldes von Merkur sowie dessen Wechselwirkungen mit der sonnennahen Umgebung. Die Wissenschaftler erhoffen sich darüber hinaus neue Erkenntnisse zur Entstehung des gesamten Sonnensystems.

Beide Sonden werden sich während des Fluges an Bord des Mercury Composite Spacecraft (MCS) befinden, das diese mit Energie versorgt und sie mit Hilfe eines speziellen Schutzschildes, der MMO Sunshield and Interface Structure (MOSIF), vor den extremen Temperaturen zwischen 430 Grad Celsius auf der Tagseite und minus 180 Grad Celsius auf der Nachtseite des Merkurs schützt.

MERTIS und BELA: Einsatz von Sensorik unter Extrembedingungen

Von den 16 Instrumenten, die sich an Bord der beiden Raumsonden befinden, wurden drei zu wesentlichen Anteilen in Deutschland entwickelt: BELA (BepiColombo Laser Altimeter), MPO-MAG (MPO Magnetometer) und MERTIS (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer). MERTIS ist ein bildgebendes Infrarot-Spektrometer und Radiometer mit zwei ungekühlten Strahlungssensoren, die für Wellenlängen zwischen 7 und 40 Mikrometern empfindlich sind. Im Orbit angekommen, wird MERTIS an Bord von MPO die Oberfläche und das Planeteninnere des Merkur untersuchen. Mit einer räumlichen Auflösung von 500 Metern identifiziert es im mittleren Infrarotbereich gesteinsbildende Minerale auf der Oberfläche.

Die Kenntnis über die mineralogische Zusammensetzung ermöglicht es den Wissenschaftlern, Aussagen über die Entwicklung des Planeten treffen zu können. Darüber hinaus liefert ein integriertes Mikro-Radiometer Daten zur Oberflächentemperatur und der thermischen Leitfähigkeit von Merkur. Durch ein neuartiges Instrumentenkonzept ist es gelungen, MERTIS äußerst kompakt und energieeffizient zu bauen. "Beide MERTIS Sensoren sind einzigartig", sagt der DLR-Experimentverantwortliche Dr. Jörn Helbert und ergänzt: "Der bildgebende Kanal nutzt ein sogenanntes ungekühltes Mikrobolometer - das erste, das in Europa weltraumqualifiziert wurde. Das Radiometer nutzt einen nur 3 mal 1 Millimeter großen Sensor, der direkt aus einem Stück Silizium geätzt wurde und gleichzeitig als Spalt für das Spektrometer dient. Dies sind nur zwei von einer Vielzahl innovativer Technologien, die eigens für dieses Experiment entwickelt wurden." Das Team wird von Wissenschaftlern der Universität Münster und dem DLR-Institut für Planetenforschung geleitet. Das Management des Experiments liegt beim DLR-Institut für Optische Sensorsysteme, das MERTIS konzipiert und entwickelt hat. Der Betrieb erfolgt unter Leitung des DLR-Instituts für Planetenforschung, die wissenschaftliche Auswertung der Daten wird gemeinsam mit der WWU Münster durchgeführt.

Das Laseraltimeter BELA liefert Informationen über die globale Form, Rotation und Topographie des sonnennächsten Planeten. Pro Sekunde sendet es zehn Laserpulse Richtung Merkur und empfängt im Bruchteil einer Sekunde das von der Oberfläche reflektierte Signal. Je höher ein Landschaftspunkt gelegen ist, um so kürzer ist die Zeit, die der Laserimpuls für den Weg zur Oberfläche und von dort zum Sensor in BELA benötigt. Aus der Laufzeit von Millionen von Laserpulsen wird im Missionsverlauf ein 3D-Modell der gesamten Oberfläche Merkurs entstehen. "Darüber hinaus können wir aus der Form der reflektierten Pulse die Oberflächenrauigkeit bestimmen. Diese hilft uns, die physikalischen und geologischen Prozesse, die das heutige Bild des Planeten prägen, besser zu verstehen", erläutert Dr. Hauke Hußmann, wissenschaftlicher Projektleiter von BELA. Aufwändige Schutzvorrichtungen und ein umfassender Hitze- und Lichtschutz verhindern, dass das Instrument durch die extremen Temperaturen auf dem Planeten überhitzt oder Schäden durch die Strahlung davonträgt. Entwickelt und gebaut wurde BELA vom DLR in Zusammenarbeit mit der Universität Bern, dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, dem Instituto de Astrofísica de Andalucía und der Industrie. Der Betrieb und die wissenschaftliche Auswertung der Daten erfolgt unter Leitung des DLR-Instituts für Planetenforschung.

Das Experiment MPO-MAG ist ein hochauflösendes digitales Magnetometer. Wie bereits die Sonde Mariner 10 entdeckt hat, umgibt den Merkur ein Magnetfeld mit einer Stärke, die ein Prozent der Stärke des Erdmagnetfelds entspricht. Bei MPO-MAG werden auf einem Ausleger des MPO zwei Sensoren eingesetzt, die der Erforschung des Eigenmagnetfelds des Merkurs dienen. Ziel ist auch die Erforschung der inneren Struktur des Merkurs. Wissenschaftlich verantwortlich ist Prof. Karl-Heinz Glaßmeier vom Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik (IGEP) der Technischen Universität Braunschweig.

Der lange Weg durchs All

Rund sieben Jahre wird die Reise von BepiColombo zum Merkur nun dauern. Dabei vollführt die Sonde mehrere so genannte Swing-By-Manöver an Erde und Venus und sogar sechs am Merkur selbst, bevor sie am Zielplaneten in eine Umlaufbahn gelenkt wird. Bei Swing-By-Manövern nutzt das Raumfahrzeug die Anziehungskraft der Himmelskörper, um Geschwindigkeit für den weiteren Weg durchs All aufzunehmen, oder aber auch, um abzubremsen. Damit eine Umlaufbahn erreicht wird, muss die Sonde ihre Geschwindigkeit nicht nur am Merkur stark reduzieren, sondern auch der enormen Anziehungskraft der Sonne entgegenwirken. MERTIS wird bereits bei den Swing-Bys an der Erde und der Venus Messungen durchführen. Am Merkur angekommen wird BepiColombo rund ein Jahr lang Daten sammeln.

Merkur - der "unbekannte" Nachbar im Sonnensystem

Merkur ist nicht nur der kleinste Planet - mit 4.878 Kilometern Durchmesser ist er nur wenig größer als unser Mond - sondern auch der am wenigsten erforschte der erdähnlichen Planeten in unserem Sonnensystem. Das liegt vor allem daran, dass er unmittelbarer Nachbar der Sonne ist: Deren Einstrahlung ist dort mehr als sechsmal höher als auf der Erde und erhitzt die Oberfläche auf Temperaturen von bis zu 430 Grad Celsius am Tage, während es nachts auf bis zu minus 180 Grad Celsius abkühlt. In der Vergangenheit wurde der Merkur erst von zwei Sonden erforscht: 1974 und 1975 vollführte die NASA-Sonde Mariner 10 drei Vorbeiflüge am Merkur und zwischen 2011 und 2015 untersuchte die NASA-Sonde MESSENGER bei drei Vorbeiflügen und aus einer Umlaufbahn mit Annäherungen über der Nordhalbkugel heraus unseren Nachbarplaneten. BepiColombo wird die Mission MESSENGER ideal ergänzen, indem nun auch die südliche Hemisphäre genau erfasst werden kann. Zugleich werden auch völlig neuartige Untersuchungen durchgeführt. So gab es auf MESSENGER kein Instrument, das den Planeten im mittleren Infrarotbereich beobachtet hat. MERTIS wird hier einen völlig neuartigen Datensatz liefern.

Enge europäisch-japanische Zusammenarbeit

Die Gesamtleitung der Mission liegt bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die auch für Entwicklung und Bau des Mercury Planetary Orbiter zuständig war. Der Mercury Magnetospheric Orbiter wurde von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA beigesteuert. Koordiniert und überwiegend finanziert wird der deutsche Beitrag zu BepiColombo vom DLR-Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Wesentlich finanziert wurden die beiden Instrumente BELA und MERTIS, die zu großen Anteilen an den DLR-Instituten für Planetenforschung und Optische Sensorsystemen in Berlin-Adlershof entwickelt wurden, aus Mitteln des DLR für Forschung und Technologie. Finanziell gefördert wird die Mission außerdem vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen, der Westfälischen-Wilhelms-Universität Münster und der Technischen Universität Braunschweig. Der industrielle Teil der Sonde wurde von einem europäischen Industrie-Konsortium unter der Federführung der Firma Airbus Defence and Space realisiert.

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