Im Oktober 2018 startet “BepiColombo“, eine Planetenmission, auf die ich mich ganz besonders freue. Einerseits, weil es sich um eine Kooperation zwischen der europäischen Raumfahrtagentur ESA und der japanischen JAXA mit deren Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) handelt. Denn meines Erachtens werden die japanischen Missionen bei uns in Europa zu wenig beachtet. Ich hoffe, dass sich das mit BepiColombo (und später dann auch mit JUICE) endlich ändern wird.

Andererseits freue ich mich aber auch, weil es zu einem bisher recht wenig erforschten Planeten geht: Dem Merkur. Er ist der kleinste Planet unseres Sonnensystems und gleichzeitig auch der innerste. Mit einer durchschnittlichen Entfernung von 58 Millionen Kilometern ist er der Sonne ca. 60% näher als wir — und somit ziemlich heiß. Merkurs Tagestemperatur beträgt bis zu 430°C. Die Nachttemperatur jedoch bis zu -173°C.

Der Merkur – eine Herausforderung der besonderen Art
Genau in dieser Nähe zu unserem Zentralgestirn liegt auch schon ein Hauptgrund, warum es bisher nur wenige Merkur-Missionen gab (Mariner 10, USA 1973, sowie Messenger, USA 2011). Die Temperaturen und deren Delta sowie die Strahlung und die Gravitationskraft der Sonne stellen bei so geringem Abstand enorme Ansprüche an Design, Materialien, Technik und Flugbahnkontrolle. Nicht einmal das Hubble-Teleskop würde eine gezielte Beobachtung des Merkur vor oder neben der Sonne unbeschadet überstehen. Hinzu kommt, dass „Messenger“ seinerzeit eine Fehlfunktion hatte und weniger Daten liefern konnte als geplant bzw. erhofft. Infolgedessen sind unsere Kenntnisse über den Merkur noch relativ begrenzt. Er ist zwar komplett kartographiert und wir wissen inzwischen auch, dass der Merkur ein Magnetfeld hat. (In unserem Sonnensystem als einziger außer der Erde. Diese Erkenntnis war sogar eine der bisher wichtigsten.) Doch es fehlen noch viele Details, die man in der Planetenforschung dringend benötigt, denn sie würden — so hofft man zumindest — auch Rückschlüsse auf die Entwicklung und Beschaffenheit von Exoplaneten erlauben.

Erste gemeinsame Mission von ESA und JAXA
Als man in den 90er Jahren die ersten Exoplaneten entdeckte, fassten daher sowohl die ESA als auch die JAXA jeweils unabhängig voneinander Pläne für eigene Merkur-Missionen. Nach Bekanntwerden dieser Parallelplanungen beschlossen die beiden Raumfahrtagenturen jedoch, ihre Entwürfe zu einer gemeinsamen Mission zusammenzulegen: BepiColombo, benannt nach Giuseppe („Bepi“) Colombo, dem italienischen Ingenieur und Mathematiker, der seinerzeit bei Mariner 10 entscheidend an der Flugbahnberechnung beteiligt war. Ganz nebenbei hat diese neue Mission auch noch ein weiteres Ziel:

Durch die gravitative Störung der anderen Planeten auf das Zweikörpersystem Sonne-Merkur führt die große Bahnachse der Merkurbahn eine Drehung in der Bahnebene aus, und zwar um 5,74 Bogensekunden pro Jahr. Mit der klassischen Newtonschen Mechanik lässt sich dieser Wert aber nicht erklären. Erst die Einbeziehung der in der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Raum-Zeit-Krümmung lieferte eine mit dem gemessenen Wert gute Übereinstimmung. BepiColombo soll nun die Bewegung des Merkurs mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen und damit einen Beitrag zur Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie leisten.
Quelle: ESA, “Dem Merkur entgegen

BepiColombos Komponenten
Die Mission besteht aus zwei einzelnen Sonden mit jeweils polarer Umlaufbahn und unterschiedlichen Forschungsschwerpunkten:

  • Der erste Part der Mission, der Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), stammt von der JAXA/ISAS und soll sich dem Magnetfeld, dessen Interaktion mit dem Sonnenwind sowie des weiteren der Magnetosphäre, der Exosphäre und dem inneren Sonnensystem allgemein widmen.
    BepiColombo, Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Quelle: JAXA

    BepiColombo, Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Quelle: JAXA

    Alle vier Sekunden, also 15 Mal pro Minute, dreht sich der MMO um seine eigene Achse. So wird die Überhitzung einzelner Stellen vermieden und zudem sichergestellt, dass immer eine seiner vier Antennen auf die Erde gerichtet ist. Zusätzlich sorgt eine spezielle reflektierende Außenschicht dafür, dass die Temperatur im Inneren der Sonde auf Raumtemperatur gehalten wird.

    Der MMO umrundet den Merkur alle 9,2 Stunden einmal komplett. Dabei variiert seine Höhe zwischen 400 und 12.000 Kilometern. Auf diese Art sind sowohl detaillierte als auch großflächige Beobachtungen möglich. Die Bodenkontrolle für dieses Element der Mission übernimmt nach der Ankunft das Sagamihara Space Operation Centre in Japan.

  • Der Mercury Planetary Orbiter (MPO) ist für geologische Untersuchungen vorgesehen und wird von der ESA beigesteuert. Gegenstand seiner Forschung sind die interne Struktur und der große Eisenkern des Planeten, sein Gravitationsfeld, Struktur und mineralogische Zusammensetzung seines Gesteins sowie das seinerzeit von „Messenger“ vorgefundene Wassereis in einigen Kratern der Polregionen. Der Orbiter umkreist den Merkur alle 2,3 Stunden und variiert dabei in seiner Höhe zwischen 430 und 1.200 Kilometern.
    Mercury Planetary Orbiter at Mercury. Copyright spacecraft: ESA/ATG medialab; Mercury: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

    Mercury Planetary Orbiter at Mercury. Quelle: ESA Space in Images. Copyright spacecraft: ESA/ATG medialab; Mercury: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

    Bestückt ist dieser Orbiter mit insgesamt 16 Kameras und Instrumenten für lasergestützte Höhenmessung, Strahlungsmessung, thermale Bildgebung, die Messung von Röntgen-, Gamma- und Neutronenstrahlung, Teilchenanalyse und mehr. Es handelt sich um eine internationale Forschungskooperation, an der Institute aus fast allen Ländern Europas sowie aus den USA, Russland und zum Teil auch aus Japan beteiligt sind.

    Wie die Instrumente an der Sonde exakt angeordnet sind, wird aus den Grafiken am Ende dieses Artikels der ESA deutlich. (Da jener Text bereits in einem Printmagazin erschienen ist, bin ich mir nicht sicher, ob ich die Bilder hier verwenden darf.)

Ein weiteres Element, nämlich das Mercury Transfer Module (MTM), stammt ebenfalls von der ESA. Es wird die beiden Sonden zunächst gemeinsam zum Merkur befördern und dann aussetzen. Zusammen mit der MMO Sunshield and Interface Structure (MOSIF) bilden alle bisher genannten Komponenten gemeinsam das sogenannte Mercury Composite Spacecraft (MCS).

BepiColombo Cruise configuration, Copyright: ESA/ATG medialab

BepiColombo Cruise configuration, Copyright: ESA/ATG medialab. Quelle: ESA Space in Images

Artist’s impression of the BepiColombo spacecraft in cruise configuration. In this viewing orientation, the Mercury Transfer Module is at the bottom, its ion thrusters firing, and its solar wings extending about 14 m either side of the module. The 7.5 m-long solar array of the Mercury Planetary Orbiter in the middle is seen extending to the top, the reverse side facing the viewer. The booms of the magnetometer and medium gain antenna are also seen. The Mercury Magnetospheric Orbiter sits inside the sunshield, which is visible at the top.
Quelle: ESA Space in Images


Missionsverlauf und -vorbereitung

Die ESA ist des weiteren federführend bei der Missionsplanung, den Integrationstests der Komponenten sowie dem eigentlichen Launch.

Das 1,3 Milliarden Euro teure Gerät soll im Oktober 2018 mit einer Ariane 5 ECA von Kourou aus gestartet werden. Nach ca. eineinhalb Jahren erfolgt ein Swingby-Manöver an der Erde. Diesem werden neben der Abbremsung durch die elektrischen Triebwerke der Sonde acht Swingby-Manöver (zwei an der Venus und sechs am Merkur) folgen. 2025 hat BepiColombo schließlich genügend Schwung verloren, um die beiden Orbiter von einer Transferstufe abzutrennen, die dann ihren jeweils eigenen Orbit um den Merkur erreichen. Nach einer finalen Überprüfung aller Instrumente und Systeme kann dann die eigentliche Arbeit beginnen, die für ein Erdenjahr geplant ist, mit der Option auf ein weiteres Forschungsjahr.
(Quelle: ESA, “Dem Merkur entgegen

Neun Swing-By-Manöver für eine einzige Mission sind tatsächlich eine beachtliche Anzahl. Sie kommt dadurch zustande, dass der Merkur nur eine hauchdünne Atmosphäre hat, in der kein effizientes Aerobraking wie z.B. beim Mars möglich ist. (Siehe hier, hier und hier.) Daher greift man in diesem Fall auf Gravitationsmanöver zurück.

Damit die Missionskontrolle schon vorab möglichst weit optimiert werden kann, steht beim European Space Operations Centre (ESOC) in Darmstadt seit Anfang März das sogenannte Engineering Model von BepiColombo. Es handelt sich dabei um eine Kopie der Systeme des MPO und des MTM. Ähnliche Modelle gab es bereits für Rosetta, Huygens und GAIA. An ihnen trainiert die ESA vor und während der jeweiligen Mission Abläufe, testet Funkverbindungen und Schnittstellen und überprüft Software, Updates und Befehle, bevor sie sie an das eigentliche Raumfahrzeug übermittelt.

Um BepiColombo gegen die extreme Hitze zu schützen, wurde diesmal sogar eigens eine neue, weiße Keramikbeschichtung aus über 30 einzelnen Lagen entwickelt. Parallel dazu hat man die Antennen der Sonde mit einer speziellen, besonders hitzebeständigen weißen Farbe versehen. Da die meisten anderen Satelliten eher das Gegenteil (nämlich drohende Auskühlung) verhindern müssen, sind sie überwiegend schwarz. Seine Abweichung von dieser Norm hat BepiColombo einen Spitznamen eingebracht: „Der weiße Satellit“. Übrigens werden auch diese Isolationsmaterialien vor der Mission einer Reihe von entsprechenden Tests unterzogen.

Insgesamt laufen die vorbereitenden Überprüfungen und Simulationen am Engineering Model über mehrere Monate. Für ungeduldige Fans wie mich bleibt bis zum Launch im Oktober jedoch leider erstmal nur eines: Abwarten, bis es endlich los geht. Der JAXA bei der Auswahl eines echten Namens für ihren Orbiter helfen. Bis zum 9. April 2018 nimmt die japanische Raumfahrtbehörde dafür Vorschläge aus aller Welt entgegen. Dem oder den am Ende auserwählten Paten winken als Belohnung ein Souvenir und ein Zertifikat.
Ich wünsche viel Glück!