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Cassini-Huygens

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Vorlage:Aktuell

Satellitenstart mit Cassini und Huygens am 15. Oktober 1997
Grafik Sonde Cassini-Huygens am Saturn.
Flugbahn der NASA/ESA-Raumsonde Cassini-Huygens: Nach dem Start an der Erde fliegt sie zweimal an der Venus und einmal an der Erde vorbei sowie einmal am Jupiter, bis sie durch diese Swing-by-Manöver genug kinetische Energie hat, ihr Ziel, den Saturn zu erreichen.
Foto vom 9. Februar 2004 von der ESA-NASA-Partnermission Cassini-Huygens zum Saturn sowie dem Saturnmond Titan. Die Raumsonde war zu diesem Zeitpunkt noch 69,4 Millionen Kilometer vom Saturn entfernt. Auf der linken Seite ist der kleine Mond Enceladus erkennbar.
Datei:Titan oberflaeche.jpg
Künstlerische Vorstellung der Oberfläche des Saturnmondes Titan. Die ESA-Raumsonde Huygens wird im Januar 2005 auf ihm landen.
Datei:Saturn mond phoebe.jpg
Der Saturnmond Phoebe, fotografiert von Cassini im Juni 2004. Das Bild wurde aus einer Entfernung von etwa 2000 Kilometern aufgenommen.
Der Saturnmond Japetus, fotografiert von Cassini im Juli 2004. Das Bild wurde aus einer Entfernung von etwa drei Millionen Kilometern aufgenommen.
Aufnahme der Wolkendecke Titans von der Saturnsonde Cassini, aufgenommen im Juni 2004

Das erste Bild ist da: [1]; Das erste Bild von der Oberfläche: [2]; Alle Rohbilder: [3]; Erste Panoramabilder: [4]

Bei der Cassini-Huygens-Mission handelt es sich um eine Mission zur Erforschung des Saturn und seiner Monde. Das Raumschiff besteht dabei aus zwei Elementen: Dem Cassini-Orbiter, der den Saturn und sieben seiner Monde für vier Jahre umrunden soll, und der Sonde Huygens, die zur Untersuchung des Saturnmondes Titan dient und auf ihm landen soll.

Die Mission

Cassini-Huygens ist ein gemeinsames Projekt von NASA, ESA und der italienischen Weltraumagentur ASI. Der Orbiter Cassini wurde vom Jet Propulsion Laboratory der NASA entwickelt und gebaut, die Sonde Huygens, die die Atmosphäre von Titan untersuchen soll, kam von der ESA, und ASI fertigte die Hochleistungs-Antenne. 17 Nationen beteiligten sich an der Finanzierung der Mission, die Daten für über 200 Wissenschaftler liefern soll und mehr als drei Milliarden Dollar kostete. Das Berliner Institut für Planetenforschung des DLR ist in Kooperation mit Prof. Gerhard Neukum von der FU Berlin ebenfalls mit mehreren Experimenten am Orbiter beteiligt.

Gestartet wurde die Sonde am 15. Oktober 1997. Auf ihrer 7-jährigen Reise in Richtung Saturn passierte die Sonde Venus, die Erde und anschließend Jupiter. Die Bordinstrumente konnten bereits bei diesen Begegnungen zahlreiche wissenschaftliche Daten liefern. So ergab das für die Saturnmonde konstruierte Radar die bisher genaueste Kartierung einiger Venus-Regionen. Magnetometer-Tests zeigten, dass es entgegen der Erwartung keine Blitze aus den 40 km hohen Venus-Wolken gibt. Die kombinierte Erkundung des Jupiter durch Cassini-Huygens und die bis zum 21. September 2003 noch immer funktionstüchtige Galileo-Sonde lieferte einzigartige Daten über Nordlichter und die Umgebung des Riesenplaneten. Die Daten über die Erde sind interessant für simulierte Suche nach außerirdischem Leben, für den Umweltschutz und für die Geophysik.

Wegstationen Erde–Venus–Jupiter–Saturn

  • 6. Oktober bis 15. November 1997: Startfenster für die ideale Planetenkonstellation. Nach zwei technischen Verzögerungen (Kühlaggregat und Computer) erfolgt der...
  • Start am 15. Oktober 1997 09:43 UT mit einer Titan-4B, der stärksten der US-Raketen. Sie konnte nur eine Fluchtgeschwindigkeit von 12,4 km/s aufbringen, um Saturn zu erreichen wären aber 15,1 km/s nötig. Um die Geschwindigkeit zu erreichen, wurden spätere Swing-by-Manöver benutzt.
  • Einschuss zur Venus (in die Gegenrichtung) auf eine hinter der Erde zurückbleibende Übergangsbahn. Nach etwa 60% entlang dieser Ellipse erfolgt am...
  • 24. April 1998 der 1. Vorbeiflug an der Venus mit 11,7 km/s in nur 300 km Höhe, wodurch sich die Bahnellipse um ein Drittel vergrößert.
  • 3. Dezember 1998 Kurskorrektur um 400 m/s nahe der Marsbahn, um die Venus nach zwei ihrer Umläufe an geeigneter Stelle zu erreichen.
  • 24. Juni 1999 2. Vorbeiflug an der Venus mit bereits 13,6 km/s in 600 km Höhe. Durch Ausnützen einer günstigen Konstellation kam es schon nach 54 Tagen am...
  • 18. August 1999 zum Swing-by an der Erde mit 19,1 km/s in 1200 km Höhe
  • 1. Dezember 1999 wird die HGA-Antenne zur Erde gedreht.
  • 23. Januar 2000 Annäherung an den Asteroid (2685) Masursky auf 1.5 Mio. km; er ist aber in der NAC-Kamera nur ein Pünktchen - ebenso wie am...
  • 18. August 2000 der Kleinplanet Himalia in 4,4 Mio. km Distanz.
  • Februar 2000 kleine Flugplan-Änderung wegen Empfängerdefekt für Huygens. Bei der Entwicklung der Transmitter wurde die Frequenzverschiebung durch den Doppler-Effekt nicht berücksichtigt. Durch die neue Flugbahn wird der Doppler-Effekt abgemildert und die Transmitterfunktionalität annähernd wieder hergestellt.
  • 1. Oktober 2000 Beginn der Jupiterbeobachtungen (84,4 Mio. km), und
  • 30. Dezember 2000 Swing-by an Jupiter in 9,7 Mio. km mit 11,6 km/s, was die Übergangsbahn zum Saturn um 2 Jahre verkürzt.
  • 22. März 2001 Ende der Jupitermessungen (84 Mio. km).
  • 6. Februar 2004 Beginn der Saturnbeobachtungen (70 Mio. km),
  • 11. Juni 2004 Vorbeiflug am Saturnmond Phoebe in etwa 2000 km Abstand

Die vier Vorbeiflüge ergaben Geschwindigkeitssteigerungen von 3,7 und 3,1 km/s bei Venus, 4,1 km/s bei Erde und 2,1 km/s durch Jupiter trotz seiner großen Distanz. Der Saturnmond Phoebe machte nur 29 m/s aus.

Die Weltraumsonde hat am 30. Juni 2004 den Saturn erreicht. Der Start geriet in die Schlagzeilen, da die große Raumsonde ihre Energie mit Hilfe von Radioisotopengeneratoren (RTG) erzeugt, die mit radioaktivem Material arbeiten. Daher hatten besonders Umweltverbände die Risiken während des Starts und der Swing-by-Manöver an der Erde kritisiert. Die Energie erzeugt der RTG, indem er die Wärme aus radioaktivem Zerfall in elektrische Energie umwandelt.

Missionsverlauf


Jupiter

Nach ihrem Start am 15. Oktober 1997 verlief der Flug von Cassini-Huygens alles andere als ereignislos. Sie konnte während mehrerer Swing-By-Manöver bereits ihre Instrumente an den Planeten Erde, Venus und Jupiter testen. Letzterer Vorbeiflug bildete den bisherigen Höhepunkt der Reise, als Cassini zum Jahreswechsel 2000/2001 bisher unerreicht scharfe Aufnahmen vom gesamten Jupiter schoss.

Beweis für die Relativitätstheorie

Nach dem Jupiter-Vorbeiflug ging es direkt in Richtung Saturn. Für diese Strecke sollte die Sonde noch einmal dreieinhalb Jahre brauchen - mehr als die Hälfte ihrer gesamten Flugzeit. Daraus erkennt man die Verlangsamung im Schwerefeld der Sonne. Doch in diesem Zeitraum hatte Cassini Aufgaben: Im Sommer 2002 lagen Erde, Sonne und die Raumsonde genau auf einer Linie. Die Sonne lag also genau zwischen Erde und Cassini. Diese Konstellation nutzten italienische Wissenschaftler um die allgemeine Relativitätstheorie Albert Einsteins genauer zu überprüfen.

Das Experiment wurde bereits im frühen 20. Jahrhundert durchgeführt: Während einer totalen Sonnenfinsternis konnte die Ablenkung eines Fixsterns aus seiner Richtung gemessen werden - ein Beweis dafür, dass die Sonne mit ihrer Masse den Raum krümmt und dadurch Lichtstrahlen verbiegt. Das italienische Experiment arbeitete nach demselben Prinzip: Durch die Masse der Sonne wurde das Signal der Sonde so abgelenkt, als ob es scheinbar von einer anderen Position aus abgesendet worden sei. Die Messung erlaubte eine 50-mal genauere Messung des Phänomens, als dies von der Erde aus möglich war.

Siehe auch: http://www.raumfahrer.net/raumfahrt/raumsonden/cassini_einstein.shtml

Titan in Sicht

Priorität bekam vor der Ankunft am Saturn schließlich die genauere Erforschung von Titan. Dies wurde auch nach der Ankunft am 1. Juli 2004 fortgesetzt, um die Landung von Huygens auf dem Saturntrabanten am 14. Januar 2005 vorzubereiten. Zu diesem Zweck hatte auch das Hubble-Teleskop hochaufgelöste Aufnahmen von dem bewölkten Mond geschossen. Die bisher besten Cassini-Aufnahmen von Titan gelangen im Juni 2004, als die Sonde nur noch 10,4 Millionen Kilometer von dem Mond entfernt war.

Vorbei an Phoebe

Am 11. Juni 2004 passierte die Sonde den äußeren Saturnmond Phoebe mit einem Abstand von nur 2.068 km und untersuchte diesen erstmals seit der Voyager 2 Mission aus der Nähe.

Einschwenken in die Umlaufbahn

Am 1. Juli ist Cassini-Huygens in eine Umlaufbahn um den Saturn eingetreten. Der Mindestabstand zur Wolkendecke des Saturn betrug 19.960 km. Das Manöver galt als missionskritisch, da ein Signal von der Erde bis zu Cassini-Huygens eine Stunde und 24 Minuten benötigt. So konnten die Ingenieure der NASA nur darauf hoffen, dass die von ihnen gesendeten Befehle auch zum richtigen Zeitpunkt ausgeführt werden. Ein Fehler hätte die Sonde nicht in eine Umlaufbahn eintreten lassen.

Am 2. Juli flog die Sonde in 339.000 km am Saturnmond Titan vorbei. Am 15. Juli machte Cassini erstmals Aufnahmen des Mondes Japetus aus etwa drei Millionen Kilometer Entfernung. Die Aufnahmen zeigen, dass die Oberfläche des Saturntrabanten deutlich in zwei verschiedene Hälften geteilt ist, wobei ein Teil sehr dunkel erscheint, was auf unterschiedliche Zusammensetzung schließen lässt. Vielleicht handelt es sich dabei um Gestein aus dem Kern von Japetus.

Im August entdeckte die Raumsonde zwei bislang unbekannte Monde des Saturns, die die vorläufigen Namen S/2004 S 1 und S/2004 S 2 erhielten.

Am 26. Oktober flog die Raumsonde in nur 1200 Kilometer Entfernung am Saturn-Mond Titan vorbei. Auf den dabei gemachten Radarfotos der Titanoberfläche zeigen sich komplexe Oberflächenstrukturen, deren korrekte wissenschaftliche Interpretation noch unklar ist.

Missionsverlauf

siehe auch [5].

Die aktuelle Lage von Cassini zu Saturn, Titan und Erde ist auf [6] zu sehen.

Insgesamt sind 74 Umläufe um den Saturn geplant. Am Saturnmond Titan sind 45 Vorbeiflüge vorgesehen, die auch zur Bahnänderung benutzt werden, damit auch die Monde Iapetus (am 1. Januar 2005 und am 10. September 2007), Enceladus (am 17. Februar, 9. März und 14. Juli 2005, sowie am 12. März 2008), Mimas (am 2. August 2005), Tethys (am 24. September 2005 und am 27. Juni 2007), Hyperion (am 26. September 2005), Dione (am 11. Oktober 2005) und Rhea (am 26. November 2005 und am 30. August 2007) aus der Nähe beobachtet werden können.


Cassinis Vorbeiflüge an Saturnmonden

Orbit Mond Vorbeiflugszeit Höhe
           0 Phoebe 11. Juni 2004 2.068 km   (1.284 mi)
           A Titan 26. Oktober 2004 1.176 km   (730 mi)
           B Titan 13. Dezember 2004 1.200 km   (745 mi)
           A Dione 15. Dezember 2004 72.500 km   (45.000 mi)
           B Abwurf von Huygens  24. Dezember 2004 —
           
           C Iapetus 1. Januar 2005 123.390 km   (76.600 mi)
           C Titan 14. Januar 2005 60.000 km   (37.200 mi)
           3 Titan 15. Febuar 2005 950 km   (590 mi)
           3 Enceladus 17. Febuar 2005 1.179 km   (733 mi)
           4 Enceladus 9. März 2005 500 km   (310 mi)
           5 Titan 31. März 2005 2.523 km   (1.568 mi)
           6 Titan 16. April 2005 950 km   (590 mi)
          11 Enceladus 14. Juli 2005 1.000 km   (600 mi)
          12 Mimas 2. August 2005 45.100 km   (28.000 mi)
          13 Titan 22. August 2005 4.015 km   (2.495 mi)
          14 Titan 7. September 2005 950 km   (590 mi)
          15 Tethys 24. September 2005 33.000 km   (20.500 mi)
          15 Hyperion 26. September 2005 990 km   (615 mi)
          16 Dione 11. Oktober 2005 500 km   (310 mi)
          16 Telesto 11. Oktober 2005 11.429 km   (7.100 mi)
          17 Titan 28. Oktober 2005 1.446 km   (900 mi)
          18 Rhea 26. November 2005 500 km   (310 mi)
          16 Telesto 25. Dezember 2005 13.679 km   (8.500 mi)
          19 Titan 26. Dezember 2005 10.429 km   (6.482 mi)
           
          20 Titan 15. Januar 2006 2.042 km   (1.269 mi)
          21 Titan 27. Februar 2006 1.812 km   (1.126 mi)
          22 Titan 18. März 2006 1.947 km   (1.210 mi)
          23 Titan 30. April 2006 1.853 km   (1.152 mi)
          24 Titan 20. Mai 2006 1.879 km   (1.168 mi)
          25 Titan 2. Juli 2006 1.911 km   (1.188 mi)
          26 Titan 22. Juli 2006 950 km   (590 mi)
          28 Titan 7. September 2006 950 km   (590 mi)
          29 Titan 23. September 2006 950 km   (590 mi)
          30 Titan 9. Oktober 2006 950 km   (590 mi)
          31 Titan 25. Oktober 2006 950 km   (590 mi)
          35 Titan 12. Dezember 2006 950 km   (590 mi)
          36 Titan 28. Dezember 2006 1.500 km   (930 mi)
           
          37 Titan 13. Januar 2007 950 km   (590 mi)
          38 Titan 29. Januar 2007 2.776 km   (1.725 mi)
          39 Titan 22. Februar 2007 953 km   (592 mi)
          40 Titan 10. März 2007 956 km   (594 mi)
          41 Titan 26. März 2007 953 km   (592 mi)
          42 Titan 10. April 2007 951 km   (591 mi)
          43 Titan 26. April 2007 951 km   (591 mi)
          44 Titan 12. Mai 2007 950 km   (590 mi)
          45 Titan 28. Mai 2007 2.425 km   (1.507 mi)
          46 Titan 13. Juni 2007 950 km   (590 mi)
          47 Tethys 27. Juni 2007 16.200 km   (10.070 mi)
          16 Prometheus 28. Juni 2007 16.539 km   (10.270 mi)
          47 Titan 29. Juni 2007 1.942 km   (1.207 mi)
          48 Titan 19. Juli 2007 1.302 km   (809 mi)
          49 Rhea 30. August 2007 5.100 km   (3.200 mi)
          49 Titan 31. August 2007 3.227 km   (2.006 mi)
          49 Iapetus 10. September 2007 1.000 km   (620 mi)
          50 Titan 2. Oktober 2007 950 km   (590 mi)
          52 Titan 19. November 2007 950 km   (590 mi)
          16 Epimetheus 3. Dezember 2007 15.779 km   (9.800 mi)
          53 Titan 5. Dezember 2007 1.300 km   (810 mi)
          54 Titan 20. Dezember 2007 953 km   (592 mi)
           
          55 Titan 5. Januar 2008 949 km   (590 mi)
          59 Titan 22. Februar 2008 959 km   (596 mi)
          61 Enceladus 12. März 2008 995 km   (618 mi)
          62 Titan 25. März 2008 950 km   (590 mi)
          67 Titan 12. Mai 2008 950 km   (590 mi)
          69 Titan 28. Mai 2008 1.316 km   (818 mi)
          16 Janus 1. Juni 2008 13.880 km   (8.600 mi)

Huygens landet auf Titan

Am Morgen des 25. Dezember 2004 hat sich die europäische Sonde Huygens vom Orbiter getrennt und drang am 14. Januar 2005 in die Titan-Atmosphäre ein. Wegen der langen Laufzeit der Signale müssen alle Vorgänge vollautomatisch ablaufen, denn Steuersignale von der Erde würden viel zu lange brauchen, um Huygens rechtzeitig zu erreichen. Die Kapsel wird durch einen Hitzeschild geschützt und bei dem Eintritt in die Atmosphäre (ca. 11:13 MEZ) von ca. 6,1 km/s innerhalb von 3 Minuten auf ca. 400 m/s abgebremst. Bei Mach 1,5 wird in ca. 180 km Höhe der Pilotschirm, der erste von drei Fallschirmen, mit 2 Meter Durchmesser aktiviert, wodurch das Back-cover entfernt und der Hauptschirm (8,3 Meter) geöffnet wird. Nach 30 Sekunden ist die Huygens auf Mach 0,6 abgebremst und der Hitzeschild, welcher mit über 100 kg fast ein Drittel des Gewichtes der Sonde ausmacht, wird abgeworfen. Weitere 15 Minuten später wird in ca. 120 km Höhe bei einer Geschwindigkeit von 40 m/s der Hauptschirm abgeworfen und die Kapsel gleitet in den nächsten 2,5 Stunden an dem ca. 3 Meter großen Gleitschirm bis zur Oberfläche herab. Während des gesamten Durchgangs durch die Atmosphäre werden chemische, physikalische und meteorologische Messungen ausgeführt. Kurz vor Erreichen der Oberfläche leuchtet ein Scheinwerfer den Landeplatz aus, um genauere Bilddaten zu erhalten.

Außer der obligatorischen Kamera hat die Sonde weitere Instrumente an Bord, die zur Messung des Magnetfeldes benutzt werden und die auch andere Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums erkunden.

Titan ist der einzige bekannte Mond unseres Sonnensystems, der eine dichte Atmosphäre besitzt. Bisher ist völlig unklar, was sich unter den dichten Wolkenschleiern aus Methan verbirgt. So ist Huygens ebenso fähig, auf einer festen Oberfläche wie auf einem Ozean aus flüssigem Methan zu landen und auch im schwimmenden Zustand die Daten zielgenau zu senden. Wegen der sehr niedrigen Temperaturen von minus 183° Celsius wird der Lander nur maximal die ca. 2 Stunden arbeiten können, die nach der Landung noch verbleiben, bis er (von Cassini aus gesehen) durch die Drehung des Titan hinter dem Horizont verschwindet; denn bevor er wieder im Blickfeld von Cassini auftauchen wird, werden seine Instrumente mit Sicherheit bereits eingefroren sein. Jedoch ist die Funktion von Huygens nach der Landung nur für ca. 3 Minuten überhaupt garantiert. Er ist darauf programmiert, möglichst schnell alle an Bord befindlichen Experimente durchzuführen und an Cassini zu übermitteln, der als Relais-Station zur Kommunikation mit der Erde dient. Um ca. 16:14 Uhr MEZ wird das Eintreffen der ersten Ergebnisse auf der Erde erwartet, wo diverse große Radioteleskope auf Cassini ausgerichtet sein werden, damit keine Daten verlorengehen.

Die Namensgeber

Der Orbiter wurde nach dem italienischen Mathematiker und Astronom Giovanni Domenico Cassini benannt, der im Jahre 1683 erstmals eine ausführliche Beschreibung des so genannten Zodiakallichts, einer Leuchterscheinung, machte. Die Sonde Huygens wurde nach dem niederländischen Astronom, Mathematiker und Physiker Christiaan Huygens benannt, der am 23. März 1665 den Saturnmond Titan entdeckte.

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