Ist der Saturnmond Titan eine zweite Erde, eine Erde im Urzustand, ein jüngerer Bruder unseres blauen Planeten? Am 14. Januar 2005 hoffen die Wissenschaftler mit Hilfe der europäischen Raumsonde Huygens das Rätsel zu lösen. Helfen soll dabei Raumfahrttechnologie "made by EADS SPACE." Denn: Eingebettet in ein europäisches Industriekonsortium leisteten EADS SPACE Standorte in Frankreich und Spanien wichtige Beiträge zu dieser Mission. Der deutsche Standort Ottobrunn zeichnete unter anderem sogar für die Schlussintegration dieses anspruchsvollen Planetenbesuchers verantwortlich.
Rückblende: Cape Canaveral Air Force Station, 15. Oktober 1997, 4:43 Uhr Ortszeit: Eine Titan IV/Centaur- Rakete bringt das Raumsonden-Duo Cassini/Huygens auf seine lange Reise: Auftakt zu einer der spektakulärsten Planetenmissionen in der Geschichte der Raumfahrt. Erstmals sollen der Ringplanet Saturn und einige seiner Monde eingehend studiert werden und mit Huygens eine Sonde auf dem Mond Titan landen. Verläuft alles nach Plan, so löst sich am 25. Dezember 2004 Huygens vom Mutterschiff Cassini und treibt auf den Saturnmond Titan zu. Am 14. Januar nächsten Jahres taucht die Landeeinheit dann in die Titan-Atmosphäre ein, sinkt an einem Fallschirm zum Boden und übermittelt einzigartige Bilder und Messdaten von diesem ungewöhnlichen Mond von dem die Wissenschaftler glauben, dass er der Ur-Erde ähneln könnte. Huygens entstand im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation, Esa. Cassini ist eine Sonde der NASA.
Mit einem Startgewicht von 5,6 Tonnen ist Cassini/Huygens die schwerste jemals gebaute interplanetare Sonde. Zum Vergleich: Die beiden Voyager-Sonden, die Saturn als bislang einzige Raumschiffe 1980 bzw. 1981 besuchten, wogen jeweils gerade einmal 815 kg. Cassini ist 6,70 Meter hoch und misst etwa vier Meter im Durchmesser, Huygens bringt 340 kg auf die Waage, und sein Hitzeschild hat 2,70 Meter Durchmesser.
Obwohl Titan IV die die stärkste amerikanische Trägerrakete ist, reichte der Schub dennoch nicht aus, um die Riesensonde direkt zum Saturn zu schießen. Hierfür war zusätzliche Hilfe aus der Natur nötig.
Ähnlich wie ein Stein, den man von einem Karussell fortschleudert, nahm die Sonde die Bahngeschwindigkeit der Erde auf. Gleichzeitig zwang die Sonne das Raumschiff mit ihrer Schwerkraft auf eine Umlaufbahn. In den folgenden Jahren arbeitete sich Cassini/Huygens dann auf einer spiralförmigen Bahn gegen die Anziehungskraft unseres Zentralgestirns in die Außenbereiche des Planetensystems vor. Dies gelang, indem das Raumschiff in den Schwerkraftfeldern von drei Planeten Schwung holte. Zunächst flog Cassini/Huygens in Richtung Sonne und schwang sich am 27. April 1998 sowie nach einer weiteren Sonnenumrundung am 24. Juni 1999 um die Venus herum. Zwei Monate später, am 18. August 1999, zog sie in 1000 Kilometer Entfernung an der Erde vorbei. In dem Schwerkraftfeld unseres Planeten wurde das Sonden-Tandem dann ins äußere Planetensystem hinaus katapultiert. Am 30. Dezember 2000 erreichte es den Riesenplaneten Jupiter, kurvte um ihn herum und nahm nun endgültig Kurs auf den Saturn.
Bei diesen so genannten Swing-by-Manövern zapfte Cassini/Huygens aus der Bahnbewegung der Planeten Energie ab und flog anschließend mit größerer Geschwindigkeit als zuvor in geänderter Richtung wieder fort. Die Sonde wurde beispielsweise allein durch den Swing-by an der Erde um 20.000 Kilometer pro Stunde schneller.
Das Swing-by-Manöver am Jupiter nutzten die Wissenschaftler, um die Instrumente an Bord von Cassini zu testen und wertvolle Messdaten zu erhalten. Von Oktober 2000 bis März 2001 schossen die beiden Bordkameras mehr als 25000 Aufnahmen von dem riesigen Gasplaneten und einigen seiner Monde. Auch den dünnen Ring, der Jupiter umgibt, konnten sie beobachten.
Nach einer Reisezeit von fast sieben Jahren und einer Strecke von 3,2 Milliarden Kilometer steht nun die Erforschung des Ringplaneten Saturn und dessen Mond Titan kurz bevor.
Titan - ein bizarrer Mond mit Atmosphäre
Wenn die ESA-Sonde Huygens im Januar 2005 in die Atmosphäre des geheimnisvollen Mondes Titan eintaucht soll sieAufbau und Zusammensetzung der Atmosphäre detailliert erkunden. Die Titanatmosphäre könnte nämlich der der Ur-Erde vor 4 Milliarden Jahren ähneln, also vor der Entstehung des Lebens auf unserem Heimatplaneten.
In unserem Sonnensystem werden alle Planeten außer Merkur und Venus von einem oder mehreren Monden umkreist. Doch nur einer dieser vielen Trabanten besitzt eine dichte Atmosphäre: der Saturnmond Titan.
Damit ein Körper im Sonnensystem eine Atmosphäre aufbauen und erhalten kann, muss er zum einen genügend Masse besitzen, um die Gashülle halten zu können. Zum anderen darf nicht zu heiß sein, weil sonst die Atmosphäre verdampft. Beides ist bei Titan erfüllt: Mit einem Durchmesser von 5150 Kilometern ist er größer als der Planet Merkur, seine Temperatur beträgt etwa minus 180 Grad Celsius.
Die Titan-Atmosphäre ist nach irdischen Maßstäben absolut lebensfeindlich. Am Boden weist sie einen Druck von 1,6 Atmosphären auf und besteht zu etwa 95 Prozent aus Stickstoff sowie 5 Prozent Methan, bei uns als Sumpf- oder Grubengas bekannt. In der obersten Atmosphärenschicht hat das Sonnenlicht chemische Reaktionen ausgelöst, die zu einer dichten Smogschicht geführt haben. Diese umgibt die gesamte Atmosphäre und verwehrt den Blick auf die Oberfläche. Lediglich im Infrarotbereich konnten Astronomen durch den Dunstschleier hindurchschauen und schemenhaft einige unterschiedlich helle Oberflächenbereiche erkennen.
Viele Planetenforscher vermuten auf Titan sehr bizarre Oberflächenformationen. Bei den Temperaturen im Bereich um minus 180 Grad Celsius kann nämlich das Methan gasförmig, fest oder flüssig vorliegen. Methan übernimmt insofern auf Titan die Rolle, die das Wasser auf der Erde spielt. Es kann zu Ozeanen auskondensieren und in der Atmosphäre Wolken bilden. Denkbar erscheint es deshalb, dass Methanmeere feste Kontinente umspülen, während ätzende Substanzen, wie Acetylen und Smogpartikel unablässig herabrieseln und sich am Grund der Ozeane in dicken Schlammschichten ansammeln. Kürzlich fand man zudem Hinweise auf Wassereis auf der Oberfläche. Ob diese Voraussagen stimmen, soll Huygens herausfinden.
Darüber hinaus vermuten die Forscher, dass die Uratmosphäre der Erde eine ähnliche Zusammensetzung hatte wie diejenige auf Titan. Die Wissenschaftler sind deshalb auch gespannt darauf, ob es auf diesem Mond trotz der Minusgrade komplexe organische Verbindungen gibt, die man als Vorläufer für Leben ansehen könnte.
Interessant ist zum Beispiel auch die Frage, warum ausgerechnet dieser Mond eine Atmosphäre besitzt. Schließlich ist der Jupiter-Mond Ganymed etwa so groß wie Titan und ebenfalls sehr kalt, jedoch ohne Atmosphäre.
EADS SPACE - Technologie zum Schutz der Wissenschaft
Während des gesamten Fluges waren die Instrumente auf Huygens, von gelegentlichen Zustandsprüfungen abgesehen, abgeschaltet. Untergebracht und geschützt sind die Instrumente in der Struktur der Abstiegskapsel, die auch alle Subsysteme zum Raumsondenbetrieb beinhaltet. Die Struktur wurde von EADS Astrium (Spanien) gebaut. Bei der Auslegung mussten Eigenschaften wie Stabilität und eine vorgegebene Rotationsrate während des Abstiegs sichergestellt werden. Dies erfolgte mithilfe 36 kleiner aerodynamischer Leitbleche, die an der Außenseite der Vorderkuppel angebracht sind. Die erzeugte Rotation sorgt für die von den Sensoren, beispielsweise der Kamera, benötigte Abdeckung um die Rotationsachse. Wegen der extremen Bedingungen, die Huygens während des Abstiegs antreffen wird, musste die Struktur Dichtigkeitsanforderungen bei einer Differenzdruck von 500 Pa gewährleisten und gleichzeitig allen Belastungen widerstehen, die aus den Worst-Case-Kombinationen von mechanischen und thermischen Belastungen resultieren.
Die Struktur ist vollständig abgedichtet, bis auf eine Belüftungsöffnung von ca. 6 cm² auf der Oberseite. Die Aluminium-Struktur besteht aus einer konischen, an beiden Enden mit Flansch und Schmiederingen verstärkten Beplankung, einer quasi-halbkugelförmigen Vorderkuppel und zwei Plattformen in Sandwichbauweise, auf denen die Experimente, die Batterien, die Bordrechner, das Abstiegskontrollsystem und die Funkfrequenz-Antennen der Raumsonde integriert sind. Zur thermischen Entkopplung ist die Abstiegskapsel über radiale Titanstreben mit dem Abtrennungs-Subsystem vom Orbiter verbunden. Drei vertikale Titanstreben, welche die beiden Plattformen im Inneren der Kapsel miteinander verbinden, übertragen die Öffnungsbelastungen des Hauptfallschirms. Das Gesamtgewicht der Abstiegskapsel beträgt ca. 41 kg. Der Kabelbaum zur Energie- und Datenverteilung an alle an Bord befindlichen Instrumente und Einheiten wurde ebenfalls von EADS Astrium (Spanien) geliefert.
Erst eine Stunde vor Erreichen der oberen Atmosphärenschichten aktiviert ein interner Zeitgeber die Sonde, dann kommt im Januar 2005 die Stunde der Wahrheit. Die gesamte Landesequenz muss vollautomatisch ablaufen, weil Funksignale über eine Stunde benötigen, um die 1,3 Milliarden Kilometer zwischen Saturn und der Erde zu überbrücken.
Mit 22 000 Kilometern pro Stunde rast die Sonde auf den Mond zu. Beim Sturz durch die Atmosphäre werden alle Instrumente an Bord kurzzeitig dem 16-fachen der Erdbeschleunigung ausgesetzt sein, und der keramische Schutzschild erhitzt sich bis auf 1800 Grad Celsius. Der Standort von EADS SPACE Transportation bei Bordeaux in der Aquitaine war verantwortlich für die Entwicklung und Produktion des thermischen Schutzschildes der Sonde. Der vordere Schild von 2,7 Metern Durchmesser wurde konzipiert um den Abstieg der Sonde zu Titanen zu verlangsamen und die wissenschaftlichen Instrumente vor der starken thermischen Strahlung während dieser Phase zu schützen. Am hinteren Teil der Sonde verstärkt eine Schutzkappe, welche die experimentelle Plattform umschließt, den Hitzeschutz.
Rund 170 Kilometer über der Titan-Oberfläche öffnet sich zunächst der Hauptfallschirm, in etwa 100 Kilometer Höhe wird auch dieser abgesprengt und ein kleinerer Fallschirm entfaltet sich, an dem die Sonde zu Boden schwebt.
Der Abstieg dauert voraussichtlich zweieinhalb Stunden. Spezielle Batterien garantieren in dieser Phase die Energieversorgung der Geräte mit einer Leistung von 750 Watt. Während dieser Zeit werden sechs Instrumente die physikalisch-chemischen Verhältnisse in der Atmosphäre messen und das dynamische Verhalten der Wolken und Dunstschichten untersuchen. Hinzu werden rund tausend Bilder einer Multispektralkamera kommen.
Wahrscheinlich wehen in der Atmosphäre starke Winde, welche die Sonde mit bis zu 250 Kilometern pro Stunde vorantreiben. Mit Hilfe eines Doppler-Wind-Experiments wird es möglich sein, Richtung und Stärke der zonalen Winde zu bestimmen. Das geschieht durch extrem präzise Messungen der Frequenzverschiebung (Doppler-Verschiebung) des von Huygens zu Cassini gesendeten Radiosignals. Aus den Daten lässt später ein Höhenprofil der Windgeschwindigkeit über einen Bereich von 160 Kilometern mit einer Genauigkeit von weniger als einem Meter pro Sekunde bestimmen. Das kann nur durch ein extrem stabiles Trägersignal des Radiotransmitters erreicht werden. Dessen Frequenzstabilität von 0,4 Hz garantiert ein ultrastabiler Rubidium-Oszillator, der von EADS Astrium (Ottobrunn) entwickelt und gebaut wurde. Eine besondere Herausforderung beim Bau der Oszillatoren bestand darin, dass weder die auftretenden Beschleunigungen noch die Zunahme des Atmosphärendrucks während der Landung die Stabilität des Oszillators beeinträchtigen dürfen.
Ein kleiner Sender an Bord von Huygens überträgt alle von den Experimenten gesammelten Informationen mit einer Datenrate von acht Kilobit pro Sekunde zu Cassini, der sie mit der Hauptantenne empfängt, an Bord speichert und später zur Erde sendet. Huygens ist so ausgelegt, dass sie den Aufschlag übersteht. Selbst wenn die Sonde in einem Ozean landen sollte, kann sie einige Zeit lang schwimmen. Gelingt die Landung, wird Huygens - so die Hoffnung der Wissenschaftler - einzigartige Messdaten und Bilder von der Titan-Oberfläche zu Cassini senden, bis die Instrumente bei fast minus 180 Grad Celsius ausfallen. Die Batterie kann bis zu zweieinhalb Stunden lang Strom liefern. Den Landeort können die Forscher mit Hilfe des ultrastabilen Oszillators bestimmen.
Ursprünglich sollte sich Huygens bereits im November dieses Jahres auf Titan landen. Techniker der ESA hatten jedoch vor einigen Jahren bemerkt, dass sich Cassini während dieses Manövers zu schnell von Huygens entfernen würde. Als Folge davon wären die Funksignale des Senders auf Huygens so stark Doppler-verschoben, dass der Empfänger auf Cassini sie nicht mehr hätte empfangen können. Deshalb entschloss man sich, den Flugplan zu ändern, was einen späteren Landetermin erzwang.
Die Muttersonde Cassini soll vier Jahre lang den Ringplaneten umrunden und ihn detailliert untersuchen. Außerdem wird sie an Titan insgesamt 48-mal vorbeifliegen und die Monde Japetus, Mimas, Enceladus, Tethys, Dione, Rhea, Hyperion und Phoebe besuchen und detailliert studieren.
Die Namensgeber
Die Mission wurde nach zwei bedeutenden Astronomen des siebzehnten Jahrhunderts benannt, die unter anderem den Saturn erforschten. Der holländische Astronom Christian Huygens erkannte als Erster den Saturn-Ring als frei schwebendes Gebilde und entdeckte im Jahre 1655 Titan. Der italienisch-französische Astronom Jean-Domenico Cassini entdeckte vier Saturn-Monde und fand 1675 im Ringsystem eine Lücke, die nach ihm benannte Cassini-Teilung.
EADS SPACE ist eine 100-prozentige Tochtergesellschaft der EADS für zivile und militärische Raumfahrtsysteme. Ihre Aktivitäten verteilen sich im wesentlichen auf drei Unternehmen: EADS SPACE Transportation für Trägerraketen und Orbitale Infrastruktur, EADS Astrium für Satelliten und Bodenstationen sowie EADS SPACE Services, die satellitengestützte Dienstleistungen anbietet. Im Jahr 2003 erreichte EADS SPACE einen Umsatz von über 2,4 Milliarden EURO und beschäftigte rund 12.000 Mitarbeiter in Frankreich, Deutschland, Großbritannien und Spanien.
Der EADS-Konzern ist ein global führender Anbieter in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsgeschäft und den dazugehörigen Dienstleistungen. Im Jahr 2003 lag der Umsatz bei 30,1 Milliarden EURO, die Zahl der Mitarbeiter bei mehr als 100.000.
Das bei Huygens angewandte Doppler-Wind-Experiment beruht auf einem Phänomen, das jeder aus dem Alltag kennt, dem akustischen Doppler-Effekt. Wenn ein Polizeiauto mit eingeschaltetem Martinshorn auf einen zufährt klingt der Ton höher, als wenn es sich von uns entfernt. Stellt man sich die Schallwellen des Martinshorns als gleichmäßige Folge von Wellenbergen und Wellentälern vor, so erreichen unser Ohr beim Herannahen mehr Wellenzüge pro Sekunde als beim Entfernen. Das bedeutet, die Frequenz der akustischen Welle wächst zunächst an und wird dann kleiner, was wir als Änderung der Tonhöhe wahrnehmen.
Dieser nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler benannte Effekt funktioniert bei jeder Art von elektromagnetischer Welle, wie Radiowellen oder auch Licht. Da die Frequenzänderung direkt von der Geschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger abhängt, lässt sich dieses Verfahren anwenden, um aus der Frequenzänderung der Radiowelle zwischen Huygens und Cassini deren Geschwindigkeit zueinander zu bestimmen.
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