9. August 2021
Blick in die Venus-Atmosphäre aus nächster Nähe

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Zweiter Venus-Vorbeiflug von BepiColombo auf dem Weg zum Merkur
Zwei­ter Ve­nus-Vor­beiflug von Be­pi­Co­lom­bo auf dem Weg zum Mer­kur
Bild 1/5, Credit: ESA

Zweiter Venus-Vorbeiflug von BepiColombo auf dem Weg zum Merkur

Am 10. Au­gust 2021, fast drei Jah­re nach ih­rem Start, wird die Raum­son­de Be­pi­Co­lom­bo, ein Son­den­ge­spann zwei­er Or­bi­ter der Eu­ro­päi­schen Welt­rau­m­or­ga­ni­sa­ti­on ESA und der ja­pa­ni­schen JA­XA, um 15.48 Uhr MESZ ih­ren zwei­ten Nah­vor­beiflug an der Ve­nus ab­sol­vie­ren. Ziel des Ma­nö­vers in 550 Ki­lo­me­ter Ent­fer­nung zur Ve­nu­so­ber­flä­che ist ein leich­tes Ab­brem­sen von Be­pi­Co­lom­bo, um ei­ne Um­lauf­bahn zu er­rei­chen, die nach und nach dem Or­bit des Pla­ne­ten Mer­kur an­ge­gli­chen wird, dem Ziel der Missi­on. Wäh­rend der Vor­beiflug­pha­se wer­den mit ei­ni­gen In­stru­men­ten an Bord bei­der Son­den wis­sen­schaft­li­che Ex­pe­ri­men­te durch­ge­führt, so auch mit dem vom DLR und der Uni­ver­si­tät Müns­ter be­trie­be­nen In­fra­rot­spek­tro­me­ter MER­TIS.
Fast simultaner Besuch zweier Raumsonden an der Venus
Fast si­mul­ta­ner Be­such zwei­er Raum­son­den an der Ve­nus
Bild 2/5, Credit: ESA

Fast simultaner Besuch zweier Raumsonden an der Venus

Die Gra­phik zeigt den Ab­lauf der Nah­vor­beiflü­ge der Raum­son­den So­lar Or­bi­ter (9. Au­gust) und der Mer­kur­mis­si­on Be­pi­Co­lom­bo (10. Au­gust) an der Ve­nus. Die Pas­sa­gen die­nen zur Bahn­kor­rek­tur bei­der Missio­nen zum Er­rei­chen ih­rer spä­te­ren, end­gül­ti­gen Um­lauf­bah­nen. Die Zeit­an­ga­ben sind in Ko­or­di­nier­ter Welt­zeit (UTC; MESZ mi­nus zwei Stun­den). In den bei­den Käs­ten sind die bei den Vor­beiflü­gen an­ge­schal­te­ten Ex­pe­ri­men­te fett ge­druckt. Das vom DLR und der Uni­ver­si­tät Müns­ter ent­wi­ckel­te und be­trie­be­ne Spek­tro­me­ter MER­TIS wird aus Ent­fer­nun­gen von 1000 bis 550 Ki­lo­me­tern In­fra­rot­mes­sun­gen in noch nie er­ziel­ter Qua­li­tät auf­zeich­nen.
Die Venus als „Bremskeil“ im inneren Sonnensystem
Die Ve­nus als „Brems­keil“ im in­ne­ren Son­nen­sys­tem
Bild 3/5, Credit: ESA

Die Venus als „Bremskeil“ im inneren Sonnensystem

Gleich zwei Raum­son­den nut­zen im Au­gust 2021 fast gleich­zei­tig (aber zu­fäl­lig) die Schwer­kraft des Pla­ne­ten Ve­nus für ein raum­fahrt­tech­ni­sches Brems­ma­nö­ver, das zum Er­rei­chen ih­rer end­gül­ti­gen Um­lauf­bah­nen dient: Zu­nächst wird das eu­ro­pä­isch-ame­ri­ka­ni­sche Son­nen­ob­ser­va­to­ri­um So­lar Or­bi­ter am 9. Au­gust in knapp 8000 Ki­lo­me­tern an der Ve­nus vor­bei­flie­gen. Ei­nen Tag spä­ter, am 10. Au­gust, folgt die eu­ro­pä­isch-ja­pa­ni­sche Mer­kur­mis­si­on Be­pi­Co­lom­bo, die in nur 550 Ki­lo­me­tern Hö­he qua­si über die Ober­flä­che des Schwes­ter­pla­ne­ten der Er­de schrammt. Die­se „Gra­vi­ty-As­sist“-Ma­nö­ver die­nen da­zu, die Son­den ein we­nig ab­zu­brem­sen und die end­gül­ti­gen Bahnel­lip­sen der Raum­son­den oh­ne viel Treib­stoff­ver­brauch zu er­rei­chen.
Spektrometer MERTIS
Spek­tro­me­ter MER­TIS
Bild 4/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Spektrometer MERTIS

MER­TIS (Mer­cu­ry Ra­dio­me­ter and Ther­mal In­fra­red Spec­tro­me­ter) ist ein ab­bil­den¬des Spek­tro­me­ter. Es ist mit ei­nem Ra­dio­me­ter kom­bi­niert, ei­nem Mess­ge­rät zur Be­stim­mung der Be­strah­lungs­stär­ke. Das In­stru­ment hat Aus­ma­ße von nur 18 mal 18 mal 13 Zen­ti­me­tern und ei­ne Mas­se von 3,3 Ki­lo­gramm; der Leis­tungs­ver­brauch ist sehr ge­ring. Die MER­TIS-Sen­so­ren sind ein­zig­ar­tig: Der bild­ge­ben­de Ka­nal nutzt zur Mes­sung der In­fra­rot­strah­lung ein un­ge­kühl­tes Mi­kro­bo­lo­me­ter, das ers­te, das in Eu­ro­pa welt­raum­qua­li­fi­ziert wur­de. Mit MER­TIS wer­den die mi­ne­ra­lo­gi­sche Zu­sam­men­set­zung der Mer­kuro­ber­flä­che so­wie die ge­steins­bil­den­den Mi­ne­ra­le un­ter­sucht. Gleich­zei­tig wird das in­te­grier­te Mi­kro-Ra­dio­me­ter die Tem­pe­ra­tur und die ther­mi­schen Leit­fä­hig­keit mes­sen. Von den Da­ten er­hof­fen sich die Wis­sen­schaft­ler Er­kennt­nis­se über die Ent­ste­hung und Ent­wick­lung des Pla­ne­ten Mer­kur.
Die siebenjährige Reise von BepiColombo zum Merkur
Die sie­ben­jäh­ri­ge Rei­se von Be­pi­Co­lom­bo zum Mer­kur
Bild 5/5, Credit: ESA

Die siebenjährige Reise von BepiColombo zum Merkur

Raum­flü­ge von der Er­de ins in­ne­re Son­nen­sys­tem sind we­gen der An­zie­hungs­kraft der Son­ne tech­nisch aus­ge­spro­chen schwie­ri­ge Un­ter­neh­mun­gen. Die eu­ro­pä­isch-ja­pa­ni­sche Missi­on Be­pi­Co­lom­bo wird da­für sie­ben Jah­re be­nö­ti­gen. Da­bei wird das Son­den­ge­spann im Lau­fe der Jah­re und durch meh­re­re Nah­vor­beiflü­ge an der Er­de, an der Ve­nus (zwei­mal) zu­nächst ab­ge­bremst und wird schließ­lich durch sechs Vor­beiflü­ge am Mer­kur selbst auf ei­ne Um­lauf­bahn um die Son­ne ge­lenkt, die sich tan­gen­ti­al im­mer mehr dem Mer­kuror­bit an­nä­hert. Schließ­lich wird Be­pi­Co­lom­bo am 5. De­zem­ber 2025 in ei­ne Um­lauf­bahn um den Mer­kur ge­lenkt.
  • ESA-/JAXA-Raumsonde BepiColombo passiert die Venus am 10. August in nur 550 Kilometer Entfernung.
  • Spektrometer MERTIS (DLR und Universität Münster) zeichnet einzigartige Messungen der dichten Atmosphäre auf.
  • Nahvorbeiflug dient der Annäherung an den Orbit des Merkur.
  • Auch die ESA-NASA-Sonde Solar Orbiter flog schon heute am 9. August in knapp 8.000 Kilometer an der Venus vorbei.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration des Sonnensystems

Für kosmische Verhältnisse kommt es in diesen Tagen im All beinahe zu einem Rendezvous: Gleich zwei Raumsonden passieren auf dem Weg zu ihren endgültigen Umlaufbahnen kurz nacheinander unseren Nachbarplaneten. Zunächst flog das europäisch-amerikanische Sonnenobservatorium Solar Orbiter am heutigen 9. August um 6.42 Uhr MESZ in knapp 8.000 Kilometern an der Venus vorbei. Einen Tag später, am Dienstag, dem 10. August um 15.48 Uhr MESZ, folgt die europäisch-japanische Merkurmission BepiColombo, die in nur 550 Kilometern Höhe quasi über die Oberfläche des Schwesterplaneten der Erde „schrammt“. Vor allem dieser Nahvorbeiflug ermöglicht einige so noch nie durchgeführte wissenschaftliche Untersuchungen der dichten Venusatmosphäre. Denn bereits während der Annäherung an die Venus wird das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) entwickelte und betriebene Spektrometer MERTIS auf die Venus gerichtet sein und Messungen durchführen.

„Beim zweiten und letzten Vorbeiflug wird die Bepi Colombo in ‚nur‘ 550km Entfernung an der Venus vorbeifliegen; das ist deutlich näher an der Oberfläche als die LEO-Satelliten im Erdorbit,“ betont Anke Pagels-Kerp, Leiterin der Abteilung „Erforschung des Weltraums“ in der Raumfahrtagentur im DLR, „Da ein Großteil der Instrumente bereits in Betrieb sind, erwarten wir gerade von der Infrarotkamera MERTIS hervorragende Bilder der zum Teil heißen Schichten der Venusatmosphäre. In Hinblick auf die kürzlich ausgewählte Venus Mission EnVision, deren Start Anfang 2030er Jahre geplant ist, bekommen wir durch Bepi Colombo erste Daten, die uns bei der Konzeption und Umsetzung der Venusmission unterstützen.“

MERTIS (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer) ist ein abbildendes Infrarot-Spektrometer und Radiometer mit zwei unterschiedlichen Sensoren, die für Wellenlängen zwischen 7 und 14 Mikrometern beziehungsweise 7 und 40 Mikrometern empfindlich sind. MERTIS wurde für die globale Kartierung der mineralogischen Zusammensetzung und der Wärmeabstrahlung der atmosphärefreien Merkuroberfläche entwickelt, eignet sich aber auch ausgezeichnet für die Untersuchung der stofflichen Zusammensetzung und für Temperaturmessungen in der Atmosphäre der Venus.

16.000 hoch aufgelöste Spektren im thermischen Infrarot

„Für das MERTIS-Team ist das eine ganz hervorragende Möglichkeit, das Instrument vor seinem eigentlichen Einsatz am Merkur bei einer zusätzlichen, wissenschaftlich wichtigen Fragestellung einzusetzen. Außerdem können wir die Eichung und Funktionalität verfeinern“, freut sich Dr. Jörn Helbert vom DLR-Institut für Planetenforschung, der gemeinsam mit Prof. Harald Hiesinger vom Institut für Planetologie der WWU Münster für das MERTIS-Instrument verantwortlich ist. „Schon die beiden vorherigen Vorbeiflüge an Erde und Mond und zuletzt am 15. Oktober in größerer Entfernung an der Venus haben erstklassige Daten geliefert, die wir noch auswerten. Jetzt aber kommen wir der Venus ganz, ganz nahe. Dabei werden uns aus weniger als tausend Kilometer über der Oberfläche Spektrometer-Messungen in einer Auflösung gelingen, die so noch keine Raumsonde gemacht hat. Sie werden helfen, wichtige, ungeklärte Fragen zur Zusammensetzung und Dynamik der Venusatmosphäre zu beantworten“, gibt sich Hiesinger optimistisch. Gisbert Peter vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme ergänzt, dass „das Instrument nach fast drei Jahren im Orbit bisher sehr stabil arbeitet und beeindruckende Messungen liefert. Nun erwarten wir einzigartige Daten von der Venus mit sehr hochauflösenden optischen Eigenschaften.“

„Durch die geringere Entfernung zur Venus können wir ein anderes, noch besseres, viel detaillierteres Messprogramm mit MERTIS durchführen“, erklärt DLR-Forscher Dr. Alessandro Maturilli, der den Plan für die MERTIS-Beobachtungen vorbereitet hat. BepiColombo nähert sich der Venus von der Nachtseite und fliegt dann über die Tag-und-Nacht-Grenze, den Terminator, auf die von der Sonne angestrahlten Hemisphäre. „Das Instrument ist direkt auf die Atmosphäre gerichtet und wird vier Minuten vor der größten Annäherung angeschaltet und bis 23 Minuten nach dem Vorbeiflug messen. Wir werden 16.000 vollständige Spektren in hoher Auflösung erhalten.“ Kamera-Bilddaten in Wellenlängen des sichtbaren Lichts wird es nur von den Navigationskameras geben, nicht aber vom wissenschaftlichen Kamerasystem der Mission, da dessen Sicht durch den Magnetosphärenorbiter im Sondengespann blockiert ist.

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 von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR 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 Sensorsysteme in Berlin-Adlershof entwickelt wurden, aus Mitteln des DLR für Forschung und Technologie. Das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme entwickelte das einzigartige Instrumenten-Design. Finanziell gefördert wird die Mission außerdem von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, der Technischen Universität Braunschweig und vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. Der industrielle Teil der Sonde wurde von einem europäischen Industrie-Konsortium unter der Federführung der Firma Airbus Defence and Space realisiert.

Venus wieder im Fokus der Forschung

Von hohem wissenschaftlichen Wert für die Planetenforschung ist dieser bahntechnisch notwendige Nahvorbeiflug von BepiColombo ferner aus zwei ganz unterschiedlichen Gründen. Zum einen können die neuen Instrumente Messungen aus kurzer Distanz vornehmen. Sie sind moderner, vielseitiger und genauer als ihre Vorläufer auf Venus-Raumsonden, die vor fast 20 Jahren (ESA-Mission Venus Express und JAXA-Mission Akatsuki) beziehungsweise 40 Jahren (sowjetische Venera Missionen) entwickelt wurden. Die NASA mit DAVINCI+ und VERITAS und die Europäische Weltraumorganisation ESA mit EnVision haben erst vor wenigen Wochen drei neue Venusmissionen für die späten 2020er und frühen 2030er-Jahre beschlossen.

Zum Zweiten ist dieser Venusvorbeiflug auch für die Erforschung von extrasolaren Planeten von hohem Interesse. Denn neben der nur etwas größeren und massereicheren Erde gilt die Venus ein wenig als der „Exoplanet nebenan“. Im bald 5.000 Einträge umfassenden Katalog von entdeckten Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne umkreisen – ist die Suche nach Planeten, die ähnliche Eigenschaften haben wie die Erde, eine der großen astronomischen Triebfedern. In letzter Konsequenz geht es um die Frage, ob sich auch auf Planeten an anderen Sternen mit vergleichbaren stofflichen Voraussetzungen und ähnlichen astronomischen Parametern wie bei der Erde Leben entwickeln kann.

Schwerkraft-Billard im inneren Sonnensystem

BepiColombo ist am 20. Oktober 2018 an Bord einer Ariane-5-Trägerrakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou gestartet. Das nun stattfindende sogenannte Gravity-Assist-Manöver an der Venus dient dazu, das Sondengespann weiterhin ohne den Einsatz von Treibstoff ein wenig abzubremsen, um die Bahnellipse der Raumsonde in Richtung einer Kreisbahn zu „stauchen“. Zuvor wurden ähnliche Manöver an der Erde und auch schon einmal an der Venus durchgeführt.

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