Clementine

Künstlerische Ansicht von Clementine (Bild: NASA)

Am 25. Januar 1994 startet an Bord einer Titan 23G-Trägerrakete die Raumsonde Clementine, deren Masse unbetankt rund 280 kg beträgt. Sie geht aus einer Kooperation des U.S. Department for Defence und der NASA hervor. Namensgeber der Mission ist die Ballade „My Darlin` Clementine“, die von einem Bergmann und seiner Tochter erzählt und darauf anspielen soll, dass mit der Sonde die mineralogische Beschaffenheit der Gesteine des Mondes und des Asteroiden 1620 Geographos untersucht werden soll. Primäres Ziel ist es, neue masseärmere Instrumente zu testen. Die Liedzeile „lost and gone forever“ nimmt leider das Ende von Clementine vorweg, die bereits vor Erreichen des zweiten Zielobjekts Geographos verloren geht. Zuvor erforscht Clementine mit großem Erfolg 71 Tage lang den Mond.

Aufbau und Instrumente

Die Raumsonde hat die Form eines 1,88 m hohen oktagonalen Prismas mit einem Durchmesser von 1,14 m, das von zwei Ga/As/Ge-Solarzellen mit elektrischer Energie versorgt wird. An den beiden Enden des Prismas befinden sich die High-Gain-Antenna sowie eine Schübdüse, die für den Einschuss in einen Mondorbit und den Aufbruch zum Asteroiden Geographos verwendet werden soll. Die sieben wissenschaftlichen Instrumente an Bord können den Erdtrabanten im sichtbaren, ultravioletten sowie nahen und fernen Infrarot-Bereich aufnehmen. Eine hochauflösende Kamera kann, gekoppelt an ein Laseraltimeter, Informationen über Morphologie und Topographie der Oberfläche sammeln. Zwei Star Tracker-Instrumente dienen neben der Lagebestimmung des Raumschiffs auch als Weitwinkelkameras. Neben diesen optischen Komponenten dient ein S- Band-Transponder zur Untersuchung des erdzugewandten Mondschwerefelds sowie ein weiteres Instrument zur Detektierung geladener Teilchen.

Die Kamerasysteme von Clementine werden ursprünglich für das Raketenabwehrsystem SDI entwickelt, das jedoch 1993 eingestellt wird und so für die Raumfahrt zur Verfügung steht. Die beiden ergiebigsten Kameras der Mission sind UVVIS und HIRES.

Die Ultraviolet / Visible CCD Camera (UVVIS) nimmt die Mondoberfläche in fünf verschiedenen Wellenlängen im ultravioletten und sichtbaren Bereich des Spektrums auf. So können petrologische Eigenschaften des Mondgesteins, Morphologie und die Verteilung von Kratern untersucht werden.

Mit der High-Resolution Camera (HIRES) werden ausgewählte Gebiete des Mondes aufgenommen. Damit ist es möglich, Oberflächenprozesse und - unter Zunahme von spektralen Daten - die Zusammensetzung besser zu verstehen.

	UVVIS	HIRES
Fokalebene	Thomson CCD	Intensified CCD
Pixelformat	384 x 288	384 x 288
Pixelauflösung	23 x 23 μm	23 x 23 μm
Bodenauflösung bei 400 km Flughöhe	102 m	7 m
Apertur	46 mm	131 mm
Brennweite	90 mm	1250 mm
Blickfeld bei 400 km Flughöhe	39 x 29 °	2,8 x 2,1 °
Integrationszeit	0,2 bis 733 ms	0,2 bis 733 ms
Leistungsaufnahme	4,5 W	9,5 W
Gewicht	410 g	1120 g

Missionsablauf

Clementine wird auf einen stark exzentrischen polaren Mondorbit mit einem Abstand zwischen 400 und 2.940 Kilometern geschossen. Die Bahn ist so gewählt, dass sich die Bodenspur der Sonde jeden Tag um 2,7 Grad nach Westen verschiebt und innerhalb eines Monats die gesamte Mondoberfläche kartiert werden kann. In der ersten Missionsphase liegt die Periapsis, der mondnächste Punkt des Orbits, bei 30 Grad Süd und ermöglicht viele Aufnahmen der südlichen Hemisphäre und des Südpols. In der zweiten Phase wird die Periapsis auf 30 Grad Nord geändert. In der dritten Phase können durch Schwenken der Raumsonde auch stereoskopische Aufnahmen gemacht werden.

25.01.1994	Start an Bord einer Titan 23G
03.02.1994	Verlassen des Erdorbits
19.02.1994	Eintritt in den Mondorbit
26.02.1994	Beginn der systematisch Kartierung, überwiegend der südlichen Hemisphäre (Phase 1)
26.03.1994	Beginn der Kartierung der nördlichen Hemisphäre (Phase 2)
23.04.1994	Beginn der Aufnahme von stereoskopischen Aufnahmen (Phase 3)
05.05.1994	Verlassen des Mondorbits
07.05.1994	Fehlfunktion des Bordcomputers und Ende der Mission
Juni - August 1994	Flug zu Geographos
31.08.1994	Geographos Flyby

Ergebnisse

Südpolmosaik des Mondes aus etwa 3.000 Aufnahmen der HIRES-Kamera, das beim DLR-Institut für Planetenforschung erstellt wurde

Während der 71 Tage im Orbit kartiert Clementine die gesamte Mondoberfläche in einer durchschnittlichen Auflösung von 200 Metern pro Pixel. Die Instrumente NIR und UVVIS liefern zusammen eine Million Bilder, 620.000 die hochauflösende HIRES und 320.000 das LWIR. Da Clementine primär als militärische Nutzlast konzipiert ist, wird die wissenschaftliche Auswertung jedoch durch eine ungenügende Farbkalibration einiger Instrumente erschwert.

Das DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof beteiligt sich an der wissenschaftlichen Auswertung der Bilder und schlägt vor, das Raumschiff in der letzten Missionsphase zu schwenken. Die überflogene Oberfläche wird dadurch aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen. In der folgenden photogrammetrischen Auswertung müssen zuerst konjugierte Punkte auf zwei oder mehreren Aufnahmen markiert werden, um Fehler in Bahn- und Lagedaten des Raumschiffs zu korrigieren. Diese verbesserten Positionsdaten können dann dazu verwendet werden, viele automatisch bestimmte Punkte zu finden. Mit diesem Verfahren kann für einen 60 mal 600 Kilometer großen Streifen des östlichen Mare Orientale ein digitales Geländemodell berechnet werden. Die horizontale Auflösung liegt bei 400 Metern pro Pixel, die Höhengenauigkeit bei 50 Metern. Damit wird die Auflösung des Laseraltimeters LIDAR um das 19-fache übertroffen. Wird das digitale Höhenmodell mit Aufnahmen aus verschiedenen Spektralbereichen überlagert, lassen sich zudem Aussagen über Zusammensetzung und mineralogische Heterogenität der Oberfläche treffen.

Das digitale Geländemodell des Mare Orientale entsteht während der letzten Missionsphase

Mit Clementine ist es gelungen, sowohl die erste komplette als auch die erste digitale Kartierung der Mondoberfläche vorzunehmen. Die zuvor kaum bekannten Polregionen können von der Sonde aufgrund ihrer besonderen Bahneigenschaften in hoher Auflösung aufgenommen werden. Das aus 1.500 Einzelaufnahmen der UVVIS-Kamera erstellte Mosaik der Südpolregion deutet darauf hin, dass es während der dreimonatigen Kartierung einige Krater gibt, deren Boden niemals von der Sonne beschienen wird. Das würde bedeuten, dass hier eine konstante Temperatur von etwa 40 K (-233 °C) herrscht. Hier könnte sich demnach Wasser gesammelt haben, das durch Impakte auf den Mond gelangt ist und an den Polen in den Kältefallen gespeichert wird. Die Nachfolgemission von Clementine, Lunar Prospector, kann zwar 1998 erhöhte Wasserstoffkonzentrationen an den Polen nachweisen; ein endgültiger Beweis für Wasservorkommen liegt aber bis heute nicht vor und ist Gegenstand aktueller und zukünftiger Forschungsvorhaben.

Ressourcen

• Mare Orientale als Anaglyphenbild: JPEG (0,7 MB), TIFF (3,0 MB)

• Südpolgeländemodell:

  • Topographie: JPEG (30 KB), TIFF (1,1 MB)

  • Topographie mit Legende: JPEG (0,1 MB), TIFF (1,8 MB)

  • Mosaik aus UVVIS-Aufnahmen: JPEG (30 KB), TIFF (0,8 MB)