Raumsonde: Erforschung des Weltraums

Raumsonde: Erforschung des Weltraums

 

Raumsonden sind unbemannte Raumflugkörper zur Erforschung der Planeten und der Sonne. Missionsziele können der Vorbeiflug, das Einschwenken in eine Umlaufbahn oder die Landung auf dem Zielobjekt (z. B. Planet oder Mond) sein. Raumsonden ermöglichen Beobachtungen, die von der Erde aus nicht möglich sind. So lieferte beispielsweise 1959 die Mondsonde Luna 3 die ersten Bilder von der erdabgewandten Seite des Mondes. Solche Beobachtungsmissionen liefern die Planungsgrundlagen (Landeplätze, atmosphärische Verhältnisse etc.) für Missionen, die eine Landung (bemannt oder unbemannt) auf dem jeweiligen Planeten vorsehen.

 

 Flug einer Raumsonde

 

Die vorgesehene Flugbahn der Raumsonde wird unter Berücksichtigung der Gravitationswirkung der Sonne und der Planeten berechnet. Nachdem die Sonde die Anziehung der Erde überwunden hat, bewegt sie sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne. Diese Bahn wird durch die Gravitation der nahe gelegenen Planeten beeinflusst. Bei einem Vorbeiflug an einem Planeten kann die Sonde je nach Größe des Gravitationsfeldes und der Eigenbewegung des Planeten eine zusätzliche Beschleunigung erhalten. Man bezeichnet dies als Swing-by-Manöver. Es ermöglicht, bei gleicher Treibstoffmenge die wissenschaftliche Nutzlast der Sonde erheblich zu erhöhen oder ihre Reisezeit zu reduzieren, was insbesondere bei Reisen zu den äußeren Planeten unseres Sonnensystems vorteilhaft ist. So nutzte die Raumsonde Galileo das Gravitationsfeld der Venus und der Erde, um sich auf ihre sechsjährige Reise zum Jupiter zu »katapultieren«. Dabei konnte sie vor Erreichen ihres eigentlichen Zieles noch etliche Untersuchungen vornehmen.

 

Eine solche Kursplanung erfordert beim Start eine bestimmte Planetenkonstellation. Die Zeitspanne, in der diese gegeben ist, bezeichnet man als Startfenster. Es kann für mehrere Wochen offen und danach für mehrere Jahre geschlossen sein.

 

 Aufbau einer Raumsonde

 

Die wissenschaftliche Nutzlast wird durch die durchzuführenden Untersuchungen und das Missionsziel bestimmt. Für Beobachtungen aus dem Orbit oder beim Vorbeiflug an Planeten werden CCD-Kameras verwendet. Die chemische Zusammensetzung der Oberfläche oder der Atmosphäre lässt sich mit Spektrometern bestimmen. Für genauere Untersuchungen ist dabei eine Landung bzw. ein Durchfliegen der Atmosphäre notwendig. Eine Alternative zur Landung der ganzen Raumsonde ist das Aussenden einer kleinen Landesonde. Andere Messgrößen wie z. B. Magnetfelder oder geladene Teilchen können mit entsprechenden Sensoren von der Raumsonde direkt bestimmt werden.

 

Die Grundbestandteile des nicht-wissenschaftlichen Teils einer Raumsonde sind ein Energieversorgungssystem, ein Navigationssystem, Antennen zur Übermittlung von Telemetrie- und Messdaten und zum Empfang von Kommandosignalen sowie je ein System zur Lageregelung und Lagestabilisierungs.

 

Die Ausführung dieser Systeme lassen sich an der Jupiterraumsonde Galileo zeigen. Da die große Entfernung zwischen Jupiter und Sonne eine Energiegewinnung mit Solarzellen unmöglich macht, besitzt Galileo zwei Radioisotopenbatterien. Sie nutzen die beim radioaktiven Zerfall von Plutonium-238-Dioxid freiwerdende Wärme zur Stromerzeugung (570 W beim Start, 485 W beim Ende der Mission). Der obere Teil von Galileo dreht sich bis zu zehnmal pro Minute und stabilisiert so die Lage der Sonde. Der untere (nicht drehende) Teil enthält u. a. die zusätzliche Eintauchsonde (eine Landung ist nicht möglich, da Jupiter ein Gasplanet ist), eine Antenne zur Kommunikation mit der Eintauchsonde, eine Kamera und ein Spektrometer. Die Eintauchsonde selbst besteht aus dem Instrumententräger und einem umgebenden Hitzeschild. Dieser wird nach dem Durchqueren der ersten Gasschichten entfernt. Die atmosphärischen Bedingungen begrenzen die Funktionsdauer auf ca. 60 Minuten. Zur Kommunikation mit der Erde hat Galileo zwei Antennen mit unterschiedlichen Übertragungsraten. Die Antenne mit hoher Übertragungsrate war beim Flug durch das innere Sonnensystem zusammengefaltet, um sie vor dem Einfluss der Sonne zu schützen. Sie ließ sich danach jedoch nicht vollständig entfalten, weshalb die gesamte Kommunikation über die Antenne mit niedriger Übertragungsrate läuft. Trotz dieses Problems kann Galileo fast alle wissenschaftlichen Aufgaben erfüllen.

 

Raumsonden werden auf längere Zeit die einzige Möglichkeit sein, den anderen Planeten unseres Sonnensystems einen »Besuch« abzustatten. Ein Problem hierbei sind die immensen Kosten, die nur durch Kooperation mehrerer Staaten aufgebracht werden können. Dies ist einer der Gründe, warum Raumsonden in den nächsten Jahren vornehmlich den Mars untersuchen werden: Die kürzere Entfernung von der Erde und die, im Vergleich zu anderen Planeten, nicht zu extremen Umweltbedingungen bedeuten weniger Aufwand.