Raumfahrzeug: ESA–J. Huart, 2014; Komet: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA
Besuch bei einem Kometen
Schon im Jahr 1986 war es der Europäischen Weltraumorganisation ESA gelungen, den Kern des berühmten Halleyschen Kometen mit der Raumsonde „Giotto“ anzusteuern und im schnellen Vorbeiflug zu untersuchen. Mit einer in Deutschland entwickelten Kamera wurde er aus einer Entfernung von weniger als 600 Kilometern fotografiert. Seitdem ist bekannt, dass der Kern dieses Kometen wie eine riesige Erdnuss geformt ist.
Start: 2. März 2004, Status Rosetta: Missionsende am 30. September 2016 nach einem kontrollierten Aufprall der Sonde auf dem Kometen, Status Kometen-Lander Philae: Landung auf dem Kometen am 12. November 2014, letzter Kontakt im Juli 2015.
Diese herausragende technische Leistung wird nun mit der Rosetta-Mission zum Kometen 67 P/Churyumow-Gerasimenko weit übertroffen. Nach mehr als zehn Jahren Flug schwenkte die ESA-Raumsonde im August 2014 in eine Umlaufbahn um den Kometen ein. Für die Wissenschaftler unerwartet, zeigten die ersten Aufnahmen des Kometen ein stark zerklüftetes Objekt, das möglicherweise durch die Anlagerung mehrerer Urkörper entstanden ist. Am 12. November 2014 setzte Rosetta das „huckepack“ mitgeführte Landegerät „Philae“ auf dem Kometen ab. Mit verschiedenen Instrumenten konnte so erstmalig die Oberfläche eines solchen Himmelskörpers direkt vor Ort untersucht werden.
Die Kometensonde Rosetta (künstlerische Darstellung)
Künstlerische Darstellung der Kometensonde Rosetta. Rosettas 11-jährige Mission begann 2004 mit dem Start auf einer Ariane-5-Rakete von Kourou in Französisch Guayana. Das Raumfahrzeug beendete seine erfolgreiche Mission zum Kometen Churyumow-Gerasimenko mit einem kontrollierten Aufprall auf dessen Oberfläche am 30. September 2016.
Die Rosetta-Sonde verblieb bis Ende September 2016 in einer Umlaufbahn um den Kometen und begleitete ihn über seine größte Annäherung an die Sonne hinaus. Damit konnte erstmalig ein Komet über einen längeren Zeitraum, vom langsamen Erwachen seiner Aktivität bei Annäherung an die Sonne bis über das Aktivitätsmaximum hinaus, aus nächster Nähe untersucht werden.
Der Name der Kometenmission geht auf den berühmten „Stein von Rosetta“ aus dem Jahr 196 v.Chr. zurück, dessen Inschriften die Entschlüsselung der altägyptischen Hieroglyphen ermöglichte. „Philae“, der Name des Landers, ist nach der früheren Nil-Insel und dem gleichnamigen Tempel benannt, in dem sich ein Obelisk befand, der bei der Entschlüsselung der Hieroglyphen ebenfalls eine wichtige Rolle spielte.
Kometen – Relikte aus den Anfängen des Sonnensystems
Kometenkerne sind kleine, nur wenige Kilometer große, unregelmäßig geformte Himmelskörper, die aus zusammengeballtem, eisigem Material, vergleichbar dem eines überdimensionalen „schmutzigen Schneeballs“, bestehen. Sie umkreisen die Sonne meist in elliptischen Bahnen, wobei sie sich dem Zentralgestirn wiederholt so stark nähern, dass die gefrorenen Gase an ihrer Oberfläche „verdampfen“ und sich die bekannten Kometenschweife bilden, die den Menschen in früheren Jahrhunderten als Unglücksboten am Himmel erschienen.
Das Kometenmaterial stammt aus den extrem fernen, dunklen und kalten Regionen unseres Sonnensystems. Nur selten gelangen einzelne dieser Eis-Brocken in die Nähe der Sonne und werden zu Kometen. Während sich die Sonne als „Kernfusionsreaktor“ und Planeten wie die Erde im Laufe ihrer Milliarden Jahre langen Entwicklung sehr stark verändert haben, sind die Kometenbrocken wegen ihrer geringen Größe und der extrem niedrigen Temperatur währenddessen praktisch unverändert geblieben. Bei diesem Material aus der „kosmischen Tiefkühltruhe“ handelt es sich also um Reste der Urmaterie, aus der auch Sonne, Planeten, Monde und Asteroiden entstanden sind.
Die zehnjährige Reise durch das Sonnensystem
Seit dem Start am 2. März 2004 absolvierte Rosetta eine über zehn Jahre dauernde komplizierte Reise durch das innere und äußere Sonnensystem. Am 4. März 2005 erfolgte mit dem Vorbeiflug an der Erde das erste von vier Planeten-„Swing-By“-Manövern. Mittels der Anziehungskraft und Bahnbewegung unseres Heimatplaneten holte die Sonde dabei Schwung, um in fernere Regionen des Sonnensystems vorstoßen zu können. Dann ging die Flugbahn weiter zum Mars, der am 25. Februar 2007 in einem sehr nahen Vorbeiflug von nur 250 Kilometern Entfernung passiert wurde. Noch im selben Jahr, am 13. November, erfolgte dann der zweite Vorbeiflug an der Erde auf deren Nachtseite. Genau zwei Jahre später, am 13. November 2009, flog Rosetta ein letztes Mal an der Erde vorbei, um den nötigen Schwung Richtung Kometenbahn aufzunehmen.
Der Asteroid „Lutetia“ beim Vorbeiflug am 10. Juli 2010 von der Rosetta-Sonde aufgenommen
Auf seinem Weg zum Kometen Churyumow-Gerasimenko flog die Weltraumsonde Rosetta am 10. Juli 2010 am Asteroiden Lutetia vorbei. Diese Aufnahme entstand dabei zum Zeitpunkt der größten Annäherung. Lutetia ist der bisher größte von einer Raumsonde „besuchte“ Asteroid.
Auf dieser langen Reise hatte die Sonde auch Gelegenheit zwei Asteroiden aus dem Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter aus der Nähe zu beobachten, nämlich die Asteroiden Steins und Lutetia, die Rosetta am 5. September 2008 und am 10. Juli 2010 passierte. In beiden Fällen war ein Großteil der Instrumente eingeschaltet. Insbesondere von Lutetia gelangen dabei beeindruckende Detailaufnahmen der Oberfläche.
Da Rosetta zwischenzeitlich auf einem so sonnenfernen Abschnitt ihrer Bahn unterwegs war, dass die Solarzellen nur wenig Energie liefern konnten, war auch kein Funkkontakt mit der Erde möglich. Die Sonde wurde daher im Juni 2011 für mehr als zweieinhalb Jahre in eine Art „Winterschlaf“ versetzt. Nachdem sich Rosetta auf ihrer Bahn der Sonne wieder bis auf weniger als 700 Millionen Kilometer angenähert hatte, erwachte sie am 20. Januar 2014 aus dem Ruhezustand und nahm erfolgreich Kontakt mit der Bodenstation auf. Nach mehreren Bahnkorrekturmanövern erreichte die Raumsonde endlich den Kometen 67 P/Churyumow-Gerasimenko und näherte sich diesem weiter an, bis sie im August 2014 in eine Umlaufbahn um ihn eintreten konnte. Seitdem untersuchten die Instrumente der Sonde den Kometen aus immer wieder wechselnden Entfernungen.
Die Rosetta-Sonde erreichte Mitte August 2015 mit dem Kometen den sonnennächsten Punkt seiner Bahn und verblieb bis September 2016 in einer Umlaufbahn um den Kometen. Damit konnte erstmalig ein Komet über einen längeren Zeitraum, vom langsamen Erwachen seiner Aktivität bei Annäherung an die Sonne über das Aktivitätsmaximum bis die Abkühlungsphase hinein, aus nächster Nähe untersucht werden.
Zwei Ansichten des rotierenden Kometenkerns 67P/Churyumov-Gerasimenko
Zwei Ansichten des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, aufgenommen mit dem wissenschaftlichen Kamerasystem OSIRIS auf der Kometensonde Rosetta am 03. (links) und 16. August (rechts) aus 285 bzw. 100 Kilometern Entfernung. Sie enthüllen eine überraschend komplexe Struktur des Kerns. Die Landung auf diesem Körper wurde dadurch zu einer noch größeren Herausforderung. Der Kometenkern hat einen Durchmesser von etwa 4 Kilometern.
Credit:
ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA
Nach ersten wissenschaftlichen Beobachtungen aus der Ferne und Erkundung einer geeigneten Landeregion folgte der spannendste Teil der Rosetta-Mission: Am 12. November 2014 um 09:35 Uhr (Mitteleuropäischer Zeit) wurde die unter deutscher Leitung gebaute Landesonde „Philae“ von der Rosetta-Raumsonde getrennt und setzte um 16:35 Uhr im vorgesehenen Landegebiet auf 67 P/Churyumow-Gerasimenko auf. Die Landung erfolgte in einer Entfernung des Kometen von der Sonne, die etwa dem dreifachen Abstand zwischen Erde und Sonne entspricht. Diese große Distanz wurde gewählt, weil dort die Kometenoberfläche noch überwiegend gefroren ist und keine Staubhülle die Landung behindert.
Der Lander Philae auf dem Kometen (Künstlerische Darstellung)
Der Lander Philae hat auf der Oberfläche des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko aufgesetzt. Zur Sicherung ist das Landegestell mit zwei Harpunen im Boden verankert. An jedem der drei Landebeine befindet sich ein Fußpaar mit seismischen Sensoren für Bodenuntersuchungen. Der Hauptkörper des Landers ist auf dem Landegestell drehbar, damit die dortigen Instrumente, wie etwa der Bohrer zur Probenentnahme, an verschiedenen Stellen zum Einsatz kommen können.
Weil der Mechanismus, der Philae mit Harpunen auf der Kometenoberfläche hätte verankern sollen, aus unbekannten Gründen versagte, prallte das Landegerät vom Kometen ab und wurde einige Hundert Meter wieder hoch und mehr als tausend Meter weit geschleudert. Nach dem nächsten Aufsetzen kam es noch zu einem weiteren kurzen „Hopser“, bis der Lander endgültig auf der Oberfläche nieder ging. Nach Auffinden des Landers auf der Kometenoberfläche durch die Rosetta-Sonde Anfang September 2016 bestätigte sich die Vermutung, dass Philae an einer zerklüfteten Stelle zur Ruhe gekommen war, in die nur wenig Sonnenlicht vordringt. Dadurch bedingt war die Energieausbeute der Solarzellen gering und die Temperatur im Innern des Landegeräts sehr niedrig. Trotzdem konnten die Instrumente von Philae nach der Landung ihr geplantes primäres Messprogramm durchführen, bis die Energie aus den Batterien nach etwa 56 Stunden verbraucht war. Alle zehn Experimente kamen dabei zum Einsatz. Die Rosetta-Sonde diente während dieser Phase als Relaisstation für die Datenübertragung vom Landegerät zur Erde.
Mit dem Ende des Energievorrats ging der Lander in eine Art „Winterschlaf“-Modus über. Die unerwartete Schattenlage führte zu einer Auskühlung von Philae weit unterhalb der Minimaltemperatur, für die die Technik konzipiert war. Trotz zunehmender Annäherung an die Sonne erlaubte die niedrige Temperatur des Landers zunächst kein Aufladen der Sekundärbatterien. Erst Mitte Juni 2015 konnten wieder Lebenszeichen von Philae empfangen werden, nachdem sich Sonnenintensität und -einstrahlwinkel deutlich verbessert hatten. Der Kontakt blieb allerdings sehr unregelmäßig, offenbar hervorgerufen durch Schäden am Kommunikationssystem. Leider ging der Kontakt Anfang Juli 2015 dann wieder verloren. Bedingt durch den Sicherheitsabstand, den Rosetta in und nach der hochaktiven Phase zum Kometen und dessen Staubhülle einhalten musste, konnte erst wieder ab November 2015 mit Kontaktaufnahme zum Lander gerechnet werden. Zu einer Antwort von Philae auf die Rufsignale der Rosetta-Raumsonde kam es aber nicht mehr. Ob ein Ausfall des Funksystems dafür verantwortlich war, oder ob Kometenaktivität zu einer verstärkten Abschattung der Solargeneratoren und Antennen des Landers führte, ist nicht zu ermitteln. Damit waren die thermalen und solaren Bedingungen am Landeplatz wieder so ungünstig, dass Philae nun endgültig in einen Kälteschlaf fiel.
Rosetta am Kometen
Ständig durch die Raumsonde Rosetta observiert, bewegte sich der Komet auf dem sonnennahen Abschnitt seiner Bahn. Am 13. August 2015 passierte er den sonnennächsten Punkt (185 Millionen Kilometer Abstand). Im Laufe des gut 12 Stunden langen Kometentages entwickelten sich Temperaturen auf der Sonnenseite, die Werte der Wüste Sahara überschritten, während sie auf der Schattenseite dann wieder unter das Niveau der Antarktis zurückgingen. Entsprechend aktiv zeigte sich auch der Komet. Es kam zu Ausbrüchen, bei denen Gas und Staub kilometerweit in den Weltraum geschleudert wurden. Die 12 Messinstrumente auf der Rosetta-Raumsonde beobachteten diese Veränderungen intensiv und führten Analysen des vorbeiströmenden Gases und Staubes durch. Die Raumsonde setzte die Beobachtungen des Kometen bis Ende September 2016 fort, bevor sie am 30. des Monats auf der Oberfläche des Kometen kontrolliert zum Absturz gebracht wurde.
An der europäischen Rosetta-Mission sind deutsche Wissenschaftler maßgeblich beteiligt. Neben Forschungsinstituten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, die Technische Universität Braunschweig, die Universität zu Köln, die Universität Mainz und die Technische Universität Dresden am Bau der Instrumente und des Landers mitgewirkt. Das Kontrollzentrum für den Lander war beim DLR in Köln-Porz angesiedelt. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR gewährte den beteiligten deutschen Instituten hierzu finanzielle Förderung aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).
