Der Cosmic Dust Analyzer: Ein Gemeinschaftsprojekt von Max-Planck und DLR
13. September 2017
Der Cosmic Dust Analyzer: Ein Gemeinschaftsprojekt von Max-Planck und DLR
Saturns E-Ring
Saturns breiter und diffuser E-Ring besteht hauptsächlich aus mikroskopisch kleinen silikatischen Staubteilchen und winzigen Eiskörnchen von Wasser, Kohlendioxid und Ammoniak, die etwa ein Tausendstel eines Millimeters groß sind. Diese Teilchen sind kleiner als rote Blutkörperchen - mit dem Cosmic Dust Analyzer auf der Cassini-Raumsonde aber mühelos aufzuspüren. Der E-Ring ist der zweitäußerste Ring des Saturn und erstreckt sich zwischen den Umlaufbahnen von Mimas und Titan bis in eine Entfernung von fast einer Million Kilometer vom Saturnmittelpunkt. Anders als die hauchdünnen Hauptringe A bis G gleicht der E-Ring mit einer Dicke von 2000 Kilometern eher einem Wulst. Der helle Punkt auf dem Bild ist Enceladus, dessen Kryovulkane den E-Ring mit kleinen Eisteilchen versorgen.
Aufgabe des Cosmic Dust Analyser (CDA) auf der Raumsonde Cassini ist die Untersuchung von Staubpartikeln im Hinblick auf ihre elektrische Ladung, Geschwindigkeit, Flugrichtung, Masse und chemische Zusammensetzung im interplanetaren Raum. Die mechanischen Bauteile des Instruments einschließlich eines Drehtischs, mit dem das Gerät unabhängig vom Raumfahrzeug auf erwartete Staubansammlungen ausgerichtet werden kann, wurden vom DLR-Institut für Planentenforschung entwickelt und gefertigt. Der CDA wurde zum einen für die Untersuchung kleinster Eis- und Staubpartikel aus dem Saturnsystem und dort insbesondere der Ringe eingesetzt, kann aber auch interplanetaren Staub von Kometen und Asteroiden oder auch interstellaren Staub nachweisen.
Mit dem CDA konnten mikroskopisch kleine Partikel analysiert werden, die aus den Fontänen des Enceladus stammen. Ihre Zusammensetzung weist auf eine hydrothermale Aktivität im Innern des Saturnmondes hin.
Der deutsche Instrumentenbeitrag an den zwölf Experimenten von Cassini - das weltweit immer noch einmalige Instrument CDA - ist von unermesslichem Wert für die Wissenschaft.
Die Messungen und die beim Bau gewonnene Expertise bilden heute die Basis für zahlreiche neue Missionen zu den Jupitermoden Europa und Ganymed sowie dem Saturnmond Enceladus.
Der CDA wurde als Gemeinschaftsprojekt des DLR-Instituts für Planetenforschung und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik entwickelt und gebaut.
Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Planetenforschung
Insgesamt 18 wissenschaftliche Instrumente befinden sich auf Cassini-Huygens. Eines davon ist der Cosmic-Dust-Analyzer (CDA), der Eis- und Staubpartikel im Saturnsystem analysiert. Das Besondere an diesem weltweit immer noch einmaligen Instrument ist, dass es gleichzeitig elektrische Ladung, Geschwindigkeit, Flugrichtung und Masse einzelner Teilchen bestimmen kann. Der CDA, gerne etwas despektierlich auch als "kosmischer Staubsauger" bezeichnet, wurde als Gemeinschaftsprojekt des Instituts für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin Adlershof und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPI-K) entwickelt und gebaut.
Die Untersuchung von Staub im Sonnensystem - das hört sich zunächst nicht sehr aufregend an. Doch der Staub, der in den scheinbar unendlichen Weiten des Sonnensystems anzutreffen ist, verrät einiges über das Sonnensystem und seine Frühzeit, aber auch seine galaktische Umgebung. Die meisten kosmischen Staubpartikel haben eine Größe von wenigen Molekülen bis zu einem Mikrometer, also einem Tausendstel Millimeter. Darunter fällt auch, was volkstümlich gelegentlich als "Sternenstaub" bezeichnet wird. Wissenschaftlich betrachtet handelt es sich bei Sternenstaub (Stardust) um Mineralstäube, die bei Sternengeburten entstanden sind und Teil des interstellaren Mediums sind, also nicht aus unserem Sonnensystem stammen. Solcher Sternenstaub findet sich gelegentlich in kleinen Kügelchen, den kohligen Chondriten, als Bestandteil von Meteoriten, die sich als "Planetesimale" (den Urbausteinen der Körper des Sonnensystems) vor viereinhalb Milliarden Jahren in der Scheibe aus Staub und Gas um die Sonne gebildet haben. "Echter" Sternenstaub ist demnach also auch älter als die Erde und stammt von Sternen, die vor der Sonne entstanden sind.
Staub ist nicht gleich Staub
Demnach gibt es intergalaktischen Staub, also Staub, der nicht aus der Milchstraße, sondern einer anderen Galaxie stammt, interstellaren Staub, der von anderen Sternen in unserer Galaxis stammt, sowie interplanetaren Staub aus dem Sonnensystem. Letzterer ist für das als Zodiakallicht bekannte Leuchtphänomen verantwortlich. Es ist eine schwach leuchtende Erscheinung in der Ebene der Bahn der Erde um die Sonne, der Ekliptik, in der auch die Sternzeichen des Tierkreises zu sehen sind. Dabei wird Sonnenlicht an den Partikeln des interplanetaren Staubs in der Planetenebene gestreut. Man schätzt, dass jedes Jahr etwa 40.000 Tonnen kosmischen Staubs in die Erdatmosphäre eintritt und dort verglüht.
Nach der Mission Galileo zum Jupiter wurde auch für Cassini beschlossen, einen Staubanalysator als Experiment mitzuführen. Für die Entwicklung und den Bau wurde im Jahr 1991 die Zusammenarbeit zwischen dem MPI-K und dem DLR beschlossen. Das MPI-K hatte die wissenschaftliche Leitung unter Professor Eberhard Grün inne; als Professor Grün in den Ruhestand wechselte, übergab er die Leitung an Dr.-Ing. Ralf Srama, der heute am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart forscht und lehrt. Das DLR übernahm unter der Leitung von Dr. Franz Lura, der auch Mitglied des CDA-Wissenschaftsteam ist, die Entwicklung des Thermaldesigns, den Bau der gesamten Mechanik inklusive der Drehplattform sowie die Entwicklung der Algorithmen zur Datenkompression. Es führte außerdem die Kontaminationsstudien durch, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse der auf die Detektoren treffenden Staubteilchen eindeutig von kosmischem Staub und nicht von Verunreinigungen stammen. In diesem Zusammenhang wurden unter anderem Studien zur Verarbeitung des in einer "Bienenwaben"-Struktur gebauten großen Sensorgehäuses aus Aluminium und zur Herstellung der hintereinander angeordneten, hochtransparenten Durchlassgitter erstellt. Diese ermöglichen es den Staubteilchen quasi ungehindert in den Staubsammelbehälter zu gelangen.
Auch nach 18 Jahren funktioniert alles reibungslos
Technologisch anspruchsvoll war auch das Beulen eines Einschlagssensors aus dem äußerst spröden und harten Metall Rhodium für das integrierte Massenspektrometer, mit dem die chemische Zusammensetzung der Staubteilchen bestimmt wird. In aufwendigen Versuchsreihen bestehend aus zahlreichen Heiz- und Kühlzyklen konnte eine Lösung für die geforderte Form der "Trefferfläche" erreicht werden. Des Weiteren wurden Qualifikationstests unter der Aufsicht des DLR geplant und durchgeführt sowie ein Struktur- und Thermalmodell erstellt. Das Design von Schnittmustern für die Thermalisolation (Multi-layer insulation, MLI) und die Fertigung derselben (in Handarbeit) gehörte ebenfalls zum Arbeitspaket des DLR.
Als das Jet Propulsion Laboratory 1992/1993 zahlreiche Kosteneinsparungen für die Cassini-Mission beschloss, bedeutete das eine unerwartete Aufstockung der DLR-Arbeitspakete. Um ein großes Gesichtsfeld des CDA im wissenschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, war ursprünglich geplant, dass der CDA auf einer mit dem Körper der Raumsonde verbundenen Drehplattform angebracht sein würde. Das neue Design der Cassini-Sonde erforderte wegen fehlender Drehplattformen jedoch eine Befestigung des CDA direkt an der Raumsonde Dadurch wären wissenschaftliche Messungen nur noch eingeschränkt möglich gewesen, weil ein Drehen der gesamten Sonde exklusiv für CDA-Messungen zu ständigen Konflikten mit anderen Experimenten geführt hätte. Außerdem wäre das Drehen nur sehr träge zu bewerkstelligen gewesen. So wurde dort, wo der CDA an der Raumsonde angebracht werden sollte, eine eigene Drehplattform entwickelt, die beim DLR-Institut für Planetenforschung erfolgreich gebaut und qualifiziert wurde. Sie ermöglichte immerhin eine Abdeckung von 270 Grad des Raums. Trotz seines täglichen Einsatzes zeigt der Drehmechanismus über seine Nutzungsdauer von 18 Jahren noch immer die ursprüngliche Performance.
CDA-Messungen bis zur allerletzten Minute
Ein weiterer Erfolgsfaktor für die wissenschaftlichen Ergebnisse des CDA war die extrem kontrollierte Sauberkeit der verwendeten Materialien und Prozesse. Buchstäblich bis zur letzten Minute der Mission werden Daten mit dem integrierten Flugzeitmassenspektrometer gewonnen, die zur Grundlage in der Astrobiologie geworden sind. Welche Bedeutung dieses einfache Spektrometer erlangen sollte, war damals nicht absehbar. Der einzige deutsche Instrumentenbeitrag an den zwölf Experimenten von Cassini - das weltweit immer noch einmalige Instrument CDA - ist heute von unermesslichem Wert für die Wissenschaft. Die Messungen und die beim Bau gewonnene Expertise bilden heute die Basis für zahlreiche neue Missionen zu den Jupitermoden Europa und Ganymed sowie dem Saturnmond Enceladus.
