Die europäisch-japanische Mission BepiColombo zur Erforschung des Planeten Merkur ist nach dem italienischen Mathematiker und Ingenieur Guiseppe „Bepi“ Colombo (1920-1984) benannt. Sie soll den sonnennächsten Planeten Merkur detailliert erforschen und neue Erkenntnisse über die Entstehung des gesamten Sonnensystems, insbesondere aber der erdähnlichen „terrestrischen“ Planeten erbringen.
Merkur ist der kleinste Planet des Sonnensystems und mit einem Durchmesser von 4.878 Kilometern nur wenig größer als der Erdmond. Bei einer mittleren Sonnenentfernung von nur 57,9 Millionen Kilometern beträgt seine Umlaufzeit um unser Zentralgestirn 87,97 Tage, seine Rotationsperiode 58,65 Tage. Die Kombination dieser Drehbewegungen führt dazu, dass der Wechsel zwischen Tag und Nacht ganze 176 Tage dauert. Aufgrund dieser langen Tage herrschen auf der Sonnenseite des Planeten Temperaturen von etwa 430 und auf der Nachtseite von minus 180 Grad Celsius.
Künstlerische Darstellung der Raumsonde BepiColombo während ihrer Reise ins Innere des Sonnensystems
Künstlerische Darstellung des aus zwei Sonden zusammengesetzten Raumfahrzeugs während seiner interplanetaren Reise zum Planeten Merkur. Während dieser Missionsphase wird ein solar-elektrisches Antriebssystem benutzt, um die Raumsonde gegen die immer stärker werdende Anziehungskraft der Sonne abzubremsen.
Zudem ist in der Merkur-Umlaufbahn die Sonneneinstrahlung auf Satelliten und Instrumente etwa zehnmal höher als auf der Erde. Diese Bedingungen stellen an den Wärmehaushalt der Geräte besondere Anforderungen. Eine weitere Herausforderung für die Technik: Im Vergleich zur Venus oder zum Mars ist der Merkur für eine Raumsonde nur durch ein langwieriges Abbremsmanöver erreichbar.
BepiColombo besteht aus zwei Satelliten - dem europäischen „Mercury Planetary Orbiter“ (MPO) und dem japanischen „Mercury Magnetospheric Orbiter“ (MMO). Sie werden den Merkur ab dem Jahr 2025 auf unterschiedlichen Umlaufbahnen erkunden. Die europäische Sonde wird auf einer niedrigen polaren Umlaufbahn die Oberfläche kartografieren und die innere Zusammensetzung des Planeten erforschen. Die japanische Sonde wird Merkurs Magnetfeld und dessen Wechselwirkung mit dem Sonnenwind untersuchen.
Die Mission BepiColombo ist ein Eckpfeiler des „Horizon 2000+/Cosmic Vision“-Programms der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Sie wird unter der Gesamtleitung der ESA als Gemeinschaftsprojekt mit der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und zahlreichen internationalen Institutionen und Universitäten durchgeführt.
Wissenschaftliche Ziele
BepiColombo wird sich auf die Erforschung des Ursprungs und der Entwicklung eines Planeten nahe an seinem Muttergestirn konzentrieren. Dabei sind vor allem die planetaren Eigenschaften – Form, Inneres, Krater, Struktur, Geologie – von Interesse. Untersucht werden auch Zusammensetzung und Dynamik der Restatmosphäre (Exosphäre) des Merkurs, sowie dessen Magnetfeld.
Ist der Kern des Merkurs flüssig oder fest?
Wegen seiner geringen Größe sollte Merkur seit seiner Entstehung bereits soweit abgekühlt sein, dass sein Metallkern − wahrscheinlich aus Eisen und Nickel − nicht mehr flüssig ist. Seine schwankende Rotation deutet aber auf ein zumindest teilweise geschmolzenes Inneres hin. Merkurs Kern macht 70 Prozent seiner Gesamtmasse aus. Sein Magnetfeld ist hundertmal schwächer als das der Erde, obwohl es theoretisch 30 Prozent größer sein müsste. Forscher des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung konnten kürzlich erklären, dass die äußeren Schichten des Eisenkerns das Magnetfeld abschirmen, so dass nur ein Bruchteil des Dynamofeldes durch den ruhenden Teil des Eisenkerns nach außen dringen kann.
Einzelteildarstellung der BepiColombo-Flugkonfiguration
„Explosionsdarstellung“ der Merkursonde BepiColombo. Von unten nach oben dargestellt sind das BepiColombo-Transfermodul, der europäische Mercury Planetary Orbiter (MPO), der Sonnenschutzschild und der japanische Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO).
Die Beobachtungen der amerikanischen Raumsonden Mariner 10 in den Jahren 1974/75 und teilweise von Messenger (gestartet im August 2004 mit Vorbeiflügen am Merkur 2008/09 und Einschwenken in eine Merkur-Umlaufbahn 2011) liefern bisher keine Hinweise auf Plattentektonik, Vulkanismus oder andere endogene Prozesse. Die Instrumentierung von BepiColombo wird es ermöglichen, diese Fragen im Detail zu untersuchen.
Welche ungewöhnlichen Materialien enthalten die permanent in Dunkelheit liegenden Krater an den Polen des Planeten?
Radaruntersuchungen der Polregionen des Merkurs haben ergeben, dass in den Schattenbereichen der polnahen Krater Zonen erhöhter Reflektivität und Depolarisation existieren. Die erhöhte Helligkeit könnte von Eis stammen, das von Meteoriten über Jahrmilliarden in den Kratern angesammelt wurde. Allerdings lassen sich als Ursache auch Metallsulfide nicht ausschließen. Daher sind detaillierte Untersuchungen erforderlich, um die Existenz von Eis auf dem Merkur zu belegen oder auszuschließen.
Wie setzt sich Merkurs Exosphäre genau zusammen?
Die Atmosphäre des Merkurs ist von sehr geringer Dichte. Ihre Bestandteile stammen von Ausgasungen und von Teilchen der Planetenoberfläche, die vom Sonnenwind losgelöst wurden. Diese „Exosphäre“ wird ganz erheblich vom Magnetfeld des Merkurs und dem anströmenden Sonnenwind strukturiert.
Hightech aus Deutschland mit an Bord
Deutsche Forschungseinrichtungen beteiligen sich am MPO mit folgenden Instrumenten: der Sendeeinheit des Laser-Altimeters BELA zur Entfernungsmessung, einem Spektrometer zur Messung von Wärmestrahlung, dem sogenannten Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer (MERTIS), dem Mercury Magnetometer (MPO-MAG) sowie einem Beitrag zu dem Teilcheninstrument „Planetary Ions Camera“ (PICAM), Teilinstrument des Experiments „Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances“ (SERENA). Bei dem japanischen Orbiter partizipiert Deutschland an einem weiteren Teilcheninstrument, dem Mass Spectrum Analyzer (MSA), einem Teilinstrument des Mercury Plasma Particle Expermiment (MPPE) sowie einem zusätzlichen Magnetometer. Neben der Eigenfinanzierung durch die beteiligten wissenschaftlichen Institute fördert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) maßgeblich die deutschen Beiträge. Sie werden vom Institut für Planetologie der Universität Münster, der Technischen Universität Braunschweig, dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen und dem DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof realisiert.
Sieben Jahre unterwegs
Darstellung der Umlaufbahnen der beiden Teilsonden von BepiColombo um den Planeten Merkur
Künstlerische Darstellung der elliptischen, polaren Umlaufbahnen der beiden BepiColombo-Teilsonden, dem Mercury Planetary Orbiter (MPO) und dem Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Die Umlaufbahn des MPO wird zwischen 400 und 1.500 Kilometern Höhe über der Merkuroberfläche verlaufen, die des MMO zwischen 400 und 12.000 Kilometern. Inklination und Exzentrizität der beiden Orbits sind für das Studium des Planeten und seiner Magnetosphäre unter den extrem heißen Bedingungen des inneren Sonnensystems optimiert.
BepiColombo ist am 20. Oktober 2018 mit einer Ariane-5-Rakete vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch Guayana gestartet. Während seiner über siebenjährigen Reise zum Merkur wird die Raumsonde verschiedene Missionsphasen durchlaufen. Nach dem Start in eine Übergangsbahn im Erdorbit wird BepiColombo auf seine interplanetare Reise geschickt. Dabei nutzt die Sonde die Gravitationskraft von Erde, Venus und Merkur, um durch neun sogenannte Swingby-Manöver den „Absturz“ ins Innere des Sonnensystems abzubremsen.
Zusätzlich wird die Sonde durch das solar-elektrische Antriebssystem auf dem Mercury Transfer Modul (MTM) abgebremst: Dieses treibt den Satelliten auf den monatelangen Phasen zwischen den „Swingby“-Manövern mit geringem, aber kontinuierlichem Schub an. Etwa zwei Monate vor Eintritt in die Merkurumlaufbahn wird das MTM abgetrennt.
Die polaren Umlaufbahnen um den Merkur werden mit dem chemischen Antriebssystem des Mercury Planetary Orbiter erreicht. Während dieser eine merkurnahe polare Umlaufbahn ansteuert, wird der Mercury Magnetospheric Orbiter in einem langgestreckten Orbit freigesetzt. Beide Umlaufbahnen sind aufeinander abgestimmt und optimiert für die jeweilige Aufgabe.
Kenndaten der BepiColombo-Mission:
Start der Entwicklung:
2000 (Auswahl als ESA-Eckpfeiler-Mission)
Start der Mission:
20. Oktober 2018, 3:45 MESZ (= 19. Oktober, 22:45 Ortszeit) von Kourou, Franz. Guayana
Trägerrakete:
Ariane 5
Ankunft am Merkur:
Dezember 2025
Missionsdauer:
1 Erdjahr (das entspricht etwa 4 Merkur„jahren“) mit der Option der Verlängerung um ein weiteres Erdjahr
Masse der Sonde:
4.100 Kilogramm beim Start, 1.150 Kilogramm (MPO) und 275 Kilogramm (MMO) im Orbit
Hinflug:
heliozentrische Überführungsbahn mit Flyby-Manövern an Erde (1x), Venus (2x) und Merkur (6x)
Orbits um Merkur:
MPO: polare Bahn 480 x 1.500 km, Umlaufzeit: 2,3 Stunden MMO: polare Bahn, 590 x 11.640 km, Umlaufzeit: 9,3 Stunden
