Erste Beobachtung des Merkur im mittleren Infrarot: MERTIS-Messdaten (Kanal bei 8,45 µm) des fünften Vorbeiflugs, projiziert auf ein MESSENGER-Mosaik. Der Krater Bashō (Ausschnitt) zeigt eine deutliche thermische Anomalie.
Bild: 4/4, Credit:
MERTIS/DLR/University of Münster & NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington
Das Spektrometer MERTIS ist eines der wissenschaftlichen Instrumente an Bord der ESA/JAXA-Mission BepiColombo und dient der Kartierung der Mineralogie und der Untersuchung der Temperaturverteilung auf der Merkuroberfläche in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit. Wissenschaftliche Ziele von MERTIS sind die Untersuchung der Zusammensetzung der Merkuroberfläche, die Erfassung gesteinsbildender Mineralien, die Kartierung der Oberflächenmineralogie sowie die Untersuchung der Oberflächentemperatur und der thermischen Trägheit.
Instrumentenbeschreibung
MERTIS ist ein abbildendes Spektrometer, das nahe Raumtemperatur betrieben wird und hyperspektrale Daten im thermischen Infrarot (7–14 µm) liefert. Kern des Instruments ist ein ungekühltes, temperaturstabilisiertes Bolometer-Detektorarray, das zweidimensionale Daten mit mittlerer spektraler und räumlicher Auflösung liefert. Neben dem Spektrometer befindet sich im selben optischen Pfad, am Spalt der Spektrometeroptik, ein Mikro-Radiometer mit zwei Kanälen (8–14 µm und 7–40 µm), das Messungen der Oberflächentemperatur und der thermischen Leitfähigkeit erlaubt. Das Instrument wurde mit einer sehr geringen Masse von rund drei Kilogramm und geringem Leistungsverbrauch entwickelt.
Kalibrationssystem
Das Betriebskonzept ist durch eine permanente On-Board-Kalibration gekennzeichnet, bei der zyklische Daten von drei Kalibrationsquellen (kalter Weltraum und zwei Schwarzkörper unterschiedlicher Temperatur) und der Merkuroberfläche aufgenommen werden. Diese Kalibration ist notwendig, weil das ungekühlte Bolometer-Detektorarray empfindlich auf die thermische Umgebung des Instruments reagiert: Das gemessene Signal hängt sowohl von der Strahlung der beobachteten Oberfläche als auch vom thermischen Zustand des Instruments selbst ab. Die beiden Schwarzkörper bekannter Temperatur (300 K und 700 K) definieren zwei Referenzpunkte des Messbereichs, der Blick in den kalten Weltraum liefert eine Null-Radianz-Referenz. Aus diesen drei Referenzmessungen lässt sich das Rohsignal in absolute Strahlungswerte umrechnen; zugleich lassen sich Empfindlichkeitsänderungen des Instruments über die Missionsdauer verfolgen und korrigieren.
Beobachtungshistorie
MERTIS wurde bei mehreren Vorbeiflügen erfolgreich betrieben:
Erde-Mond-System (10. April 2020): 1,2 Millionen Spektren des Mondes aus Entfernungen von mehr als 700.000 Kilometern
Erster Venusvorbeiflug (15. Oktober 2020): Messungen ab einer Entfernung von mehr als 1,3 Millionen Kilometern, insgesamt mehr als drei Millionen Spektren
Zweiter Venusvorbeiflug (10. August 2021): Datenaufnahme zum Zeitpunkt der größten Annäherung (800–1.000 Kilometer)
Fünfter Merkurvorbeiflug (1. Dezember 2024): erste Beobachtung des Merkur im mittleren Infrarot durch ein Raumfahrzeug überhaupt
Beim fünften Merkurvorbeiflug beobachtete MERTIS die Oberfläche aus einer Entfernung von rund 37.000 Kilometern mit einer räumlichen Auflösung von 26–30 Kilometern pro Pixel; der TIS-Kanal zeichnete dabei rund 1,4 Millionen Bildpunkte auf der Merkuroberfläche auf. Die Aufnahmen decken Teile des Caloris-Beckens und der nördlichen Vulkanebenen ab und zeigen Variationen von Temperatur, Zusammensetzung und Rauigkeit der Oberfläche; das Radiometer maß Temperaturen von bis zu 420 °C. Der Impaktkrater Bashō, der im sichtbaren Licht sowohl sehr dunkles als auch sehr helles Material zeigt, tritt auch im thermischen Infrarot als deutliche Anomalie hervor. Im Merkurorbit wird MERTIS den Planeten aus Entfernungen zwischen 400 und 1.500 Kilometern beobachten. Die Daten der Vorbeiflüge belegen zusammen mit den erdnah erfassten Daten der Inbetriebnahme, dass die Leistung von MERTIS die Anforderungen übertrifft; regelmäßige Überprüfungen während der Reisephase bestätigen die Instrumentleistung bis zum Beginn der wissenschaftlichen Messungen Anfang 2027.
Instrumentenarchitektur
Die Instrumentenarchitektur besteht aus zwei thermisch entkoppelten Einheiten: dem Sensormodul mit Optik, Detektoren und Ausleseelektroniken sowie einem Shutter, der ebenfalls der On-Board-Kalibration dient.
Die Hauptelektronikeinheit beinhaltet die redundante Instrumentensteuerung und Spannungsversorgung sowie die Kalibrationsquellen. Das hochintegrierte Messsystem wird durch eine Pointing-/Scan-Einheit komplettiert, welche den optischen Pfad je nach Bedarf zum Merkur oder zu den Kalibrationsquellen orientiert.
Entwicklungsteam
Das DLR-Institut für Weltraumforschung in Berlin leitet die Entwicklung des Systemdesigns, integriert das Instrument, überprüft die optische Leistung und führt Kalibrierungen auf der Grundlage von Infrarot-Laboruntersuchungen durch. Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie entwickelt.
Projektleiter: Harald Hiesinger, Universität Münster
Ein 3D-Konstruktionsdiagramm, das die mechanische Ausrichtung, die thermischen Schnittstellen und die Blickrichtungsvektoren relativ zum Raumfahrzeug zeigt.
