Thema: RAUMSCHIFF- ANTRIEBE

[SiLæncer]

Als erste Raumsonde flog "Smart-1" mit Sonnenenergie zum Mond. Für die Ingenieure war die Mission ein nervenzehrendes Abenteuer.

Mitten in der Nacht summte sein Handy: eine Alarm-SMS aus dem Orbit. Hellwach sprang Octavio Camino, 46, aus dem Bett. Auch sein vierjähriger Sohn hörte den Weckruf: "Papa, ist wieder was mit deinem Raumschiff passiert?"

Aus heiterem Himmel, so die Handy-Meldung, war der Ionenantrieb ausgefallen. Der Flugleiter eilte ins Kontrollzentrum der europäischen Raumfahrtagentur Esa in Darmstadt. Erst Stunden später fanden seine Spezialisten den Fehler: eine Überhitzung der Triebwerkssteuerung. Per Funkbefehl wurde "Smart-1" herumgedreht. So war die Elektronik nicht mehr der gleißend hellen Sonne ausgesetzt. Nach der Abkühlung sprang das Triebwerk mühelos wieder an - gerettet.

Seit dem Start vor knapp drei Jahren kam es oft zu Zwischenfällen, mit denen niemand gerechnet hatte: Der Flug der Raumsonde zum Mond war ein nervenzehrendes Abenteuer. "Meine schwerste Mission", sagt der auf Gran Canaria geborene Camino. "Dieser Testflug dient dazu, neue Hard- und Software auszuprobieren."

Schon geraume Zeit umkreist der gefrierschrankgroße Roboter mittlerweile den Erdtrabanten und hat bereits Tausende Bilder und Gigabyte an Messdaten zur Erde gefunkt. Es grenzt an ein Wunder, dass Smart-1 es so weit geschafft hat.

Im Herbst 2003 hatte eine Ariane-Rakete die Sonde aus dem Schwerefeld der Erde katapultiert. Nach dem Abtrennen der letzten Raketenstufe trat eine Panne nach der anderen auf. Sonnenstürme verursachten immer wieder Fehler in der Bordsoftware. Allein in den ersten zwei Wochen kam das Team über 30-mal zu Krisensitzungen ("Anomaly Meetings") zusammen. "Ein nicht enden wollender Alptraum, wir haben kaum noch geschlafen", berichtet Camino. "Gott sei Dank gelten die deutschen Arbeitszeitregelungen ja nicht im Weltraum."

Was den weiteren Flug zum Mond so schwierig machte, war der dabei eingesetzte neuartige Antrieb. Bisherige Raumsonden gleichen Feuerwerkskörpern, angetrieben von einem mächtigen Rückstoß, der bei der Verbrennung des Kraftstoffs entsteht. Das Ionentriebwerk von Smart-1 hingegen beschleunigt auf die sanfte Tour: Der Rückstoß entsteht, indem elektrisch geladene Gasteilchen von einem Hochspannungsfeld hinausgeschleudert werden - sie bilden einen nur armdicken Partikelstrahl.

Solarzellen liefern den nötigen Strom. Als erster Flugkörper wurde Smart-1 somit von der Kraft der Sonne zum Mond getragen. Der futuristische Elektromotor ist weitaus sparsamer als konventionelle Triebwerke. Ionenstrahlen wären daher ideal, um später einmal Menschen zum Mars zu befördern.

Die Antriebstechnik, die aus dem Maschinendeck des Raumschiffs "Enterprise" zu stammen scheint, hat nur einen Nachteil: Wegen des geringen Schubs dauert die Beschleunigungsphase viel länger - ein chemisches Verbrennungstriebwerk gleicht einem Sprinter (dem schnell die Puste ausgeht), der Ionenantrieb einem Marathonläufer. Frühere Sonden schafften die Strecke zum knapp 400.000 Kilometer entfernten Mond in wenigen Tagen - Smart-1 war über ein Jahr unterwegs.

Ein riskanter Schleichflug: Die Sonde brauchte ewig für die Durchquerung des sogenannten Van-Allen-Gürtels, der die Erde wie ein Kokon umgibt. Darin toben heftige solare Teilchenschauer, die elektronische Bauteile zermürben. Camino: "Um möglichst schnell aus der Todeszone herauszukommen, musste das Ionentriebwerk monatelang mit voller Kraft laufen."

Kein Wunder, dass der Motor stotterte. Mit Grausen erinnert sich der Ingenieur an jenen Montagmorgen, als er nichtsahnend den Kontrollraum betrat. Überall ratlose Gesichter: Die Sonde war verschwunden. Die Empfangsantenne im australischen Perth hatte genau die Himmelsregion im Visier, wo sich Smart-1 gerade aufhalten sollte - doch nirgends eine Spur.

Fieberhaft suchte das Flugkontrollteam nach einer Erklärung. Hatte sich der Antrieb zu früh abgeschaltet? Trieb Smart-1 also noch außerhalb des Empfangsbereichs der Antenne? Unter Hochdruck entwickelte das Team ein Suchprogramm, um die verschollene Sonde aufzuspüren. Camino: "Treffer - sie ging uns ins Netz."

Häufig gab es auch Ärger mit dem Navigationssystem an Bord. Raumsonden orientieren sich, wie in den Anfängen der christlichen Seefahrt, anhand der Sterne. Dazu fotografiert eine Digitalkamera Ausschnitte des Himmels; der Bordcomputer errechnet daraus die aktuelle Position. Doch auch die Kamera litt unter der zu starken Sonneneinstrahlung, erhitzte sich zu sehr und funktionierte dann nicht mehr richtig. "Stundenlang raste Smart-1 blind durchs All", erzählt Camino. "Dann mussten wir schnell den Motor abstellen."

Um der Sonnenglut auszuweichen, brachten die Flugingenieure Smart-1 schließlich auf einen waghalsigen Schlingerkurs. Die Sonde kurvte durchs All wie ein Skifahrer beim Abfahrtslauf - eine flugdynamische Meisterleistung.

Mittlerweile lässt sich der Kurs der Sonde kaum noch beeinflussen. Die letzten Gasvorräte im Tank sind längst aufgebraucht, das Ionentriebwerk ist abgestellt.

Für den weiteren Flug spielt das keine Rolle. Anfang September soll Smart-1 als künstlicher Meteorit auf der Mondoberfläche zerschellen - möglichst auf der sichtbaren Seite. Camino: "Wir wollen schließlich zusehen, wie dort ein neuer Krater ausgehoben wird."

Quelle : www.spiegel.de

[SiLæncer]

"Smart-1" hat nur noch wenige Stunden. Am Sonntag wird die Sonde auf dem Mond zerschellen - und liefert letzte Fotos der vernarbten Oberfläche. Forscher haben dazu eine Kamera umfunktioniert, die eigentlich der Navigation diente - und jetzt nicht mehr gebraucht wird.

Vor dem Aufprall kommt der Ausblick. In der letzten Woche ihrer Existenz funkt die europäische Raumsonde "Smart-1" Nahaufnahmen des Mondes ins Esa-Kontrollzentrum in Darmstadt. Auf ihrer elliptischen Bahn kann "Smart-1" aus Höhen zwischen einigen hundert und weniger als hundert Kilometern den Mond fotografieren.

Dazu benutzen die Forscher im Kontrollzentrum ein Instrument, das eigentlich nicht für Landschaftsfotos gedacht war: den sogenannten Star Tracker. Diese Kamera half seit dem "Smart-1"-Start im September 2003 bei der Navigation, indem sie Sterne zwecks Positions- und Richtungsbestimmung fotografierte. Doch nun ist der Star Tracker vom Sonnenlicht geblendet, das der Mond reflektiert. Ferne Sterne lassen sich nicht mehr aufnehmen.

Nun demonstrieren Forscher der Dänischen Technischen Universität (DTU) in Lyngby - sie hatten das Instrument zu "Smart-1" beigesteuert - die Vielseitigkeit des Fliegengewichts. Das Instrument wiegt nur gut drei Kilogramm.

Der Star Tracker habe ein paar Tage nach dem Start von "Smart-1" die ersten Bilder von der Milchstraße geschossen, sagte Esa-Projektwissenschaftler Bernard Foing. "Und nun erlebt er die letzten Momente des Raumfahrzeugs mit, ganz so als wären wir selbst mit an Bord."

Am kommenden Sonntag, dem 3. September, soll "Smart-1" um 7.40 Uhr morgens mit rund 7200 Kilometern pro Stunde auf dem Mond zerschellen und dabei einen Krater von drei bis zehn Metern Durchmesser schlagen. Die Gegend des Absturzes wird dann allerdings im Dunkeln liegen. Direkte Spuren des Aufpralls werden nur zu erkennen sein, falls Trümmer höher als 20 Kilometer emporgeschleudert werden. Dann würde das Sonnenlicht sie erreichen.

Mit Teleskopen oder Ferngläsern könnten dann auch die Erdbewohner das Ende von "Smart-1" mitverfolgen - allerdings nur von Amerika und dem Ostpazifik aus. Über Europa ist der Mond zum Zeitpunkt des Missionsendes nicht zu sehen.

Quelle und Bilder : http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltraum/0,1518,434441,00.html

[SiLæncer]

Mit einem Totalschaden geht am morgigen Sonntag Europas erste Mondmission zu Ende - absichtlich. Bange beobachteten Esa-Wissenschaftler fast drei Jahre lang, wie die Sonde "Smart-1" im Kriechgang zum Mond flog: In ihr steckte der Antrieb für die Zukunft der Raumfahrt.

In ihrer Langsamkeit hatte die Mission etwas Erhabenes. In 14 Monaten zum Mond - für dieselbe Distanz benötigten die ersten Mondspaziergänger in ihrer Apollo-Kapsel bloß 76 Stunden, und das ist schon 37 Jahre her. Wenn die kleine Sonde "Smart-1" - ein Würfel von etwa einem Meter Kantenlänge mit zwei langen, schmalen Sonnenlichtkollektoren rechts und links - am Sonntagmorgen um 7.41 Uhr deutscher Zeit auf der kargen Ebene des Lake of Excellence zerschellt, symbolisiert der Klumpen Schrott dennoch die Zukunft der Raumfahrt.

"Smart-1" diene in erster Linie der Demonstration einer neuen Technologie. Hier werde ein neuartiger Antrieb für Raumsonden getestet, hatte Bernard Foing im Jahr 2003 kurz vor dem Start der Sonde im Interview mit SPIEGEL ONLINE gesagt. Der verantwortliche Wissenschaftler des Esa-Projekts erklärte damals: "Das Motto lautet 'schneller, schlauer, besser' - und das alles zu einem niedrigen Preis."

Der knuffige Name des Würfels steht für genau das: Small Missions for Advanced Research in Technology, zu deutsch kleine Missionen für fortgeschrittene Technologiestudien.

Fortgeschritten, das mag paradox klingen angesichts der ungewöhnlich langen Reisezeit des europäischen Würfels. Zudem wird "Smart-1" mit vergleichsweise gemächlichen zwei Kilometern pro Sekunde auf dem Mond aufschlagen. Verglichen mit den Reisegeschwindigkeiten anderer Weltraumfahrzeuge kriecht "Smart-1" geradezu in Zeitlupe dem Crash entgegen. Denn das Gefährt ist chronisch antriebsschwach.

Paradoxerweise ist eben das der Ausweis seiner Fortschrittlichkeit. Im Unterschied zu konventionellen Raketen, Raumfähren und Sonden verfügt "Smart-1" nicht über Raketentriebwerke, die mit einzelnen Zündstößen für gewaltige Beschleunigung sorgen. Vielmehr ist das Herzstück und der Existenzgrund der europäischen Mondsonde ein Ionenstrahltriebwerk.

Gemächlich in die Zukunft

Es erzeugt Rückstoß durch einen steten Strahl von elektrisch geladenen Gaspartikeln, die von einem Hochspannungsfeld ins All geschleudert werden. Die Energie wird in den Solarpaddeln gewonnen; das Edelgas Xenon liefert die nötigen Teilchen. Nur 80 Kilogramm davon waren für den Weg zum Mond nötig. Der Vorteil - besonders für längere Missionen - liegt auf der Hand: Nur das Gas muss beim Startgewicht mit eingeplant werden. Sauerstoff zur Verbrennung ist nicht nötig, und Elektrizität liefert die ganze Reise lang kontinuierlich die Sonne.

Künftige Missionen wie "BepiColombo", die 2013 in Zusammenarbeit mit der japanischen Raumfahrtbehörde zum Merkur starten soll, werden diese Antriebstechnik nutzen. So war der Weg für "Smart-1" das Ziel. Über die turbulente Frühphase nach dem Start im Oktober 2003 hatte der Esa-Flugleiter Octavio Camino im SPIEGEL berichtet, dass allein in den ersten zwei Wochen das Team über 30 Mal zu Krisensitzungen ("Anomaly Meetings") zusammenkam. "Ein nicht enden wollender Alptraum, wir haben kaum noch geschlafen", sagte Camino.

Sonnenstürme störten die Bordsoftware. Bei der Überwindung des Van-Allen-Gürtels, der die Erde umgibt und in dem jedes Raumfahrzeug von kosmischen Teilchen bombardiert wird, zeigte sich der Nachteil des sparsamen Antriebs: Konventionelle Raumsonden rasen einfach hindurch, "Smart-1" hingegen ließ sein Triebwerk monatelang auf Hochtouren laufen, um der Todeszone zu entrinnen. Jede Elektronik ist dort akut gefährdet.

Eingefangen und todgeweiht

Allein die Tatsache aber, dass "Smart- 1" im November 2004 in eine Mondumlaufbahn einschwenkte, kennzeichnete die Esa-Mission als Erfolg. Denn der kleine Würfel hatte sich zuvor Kraft seines Teilchenstrahls in immer größer werdenden Ellipsen um die Erde herum schrauben müssen, bis er schließlich von der Schwerkraft des Mondes eingefangen wurde. Schon einige Wochen früher als ursprünglich geplant war dieser Punkt erreicht.

Von da an flog "Smart-1" elliptisch um den Mond und sammelte mit Röntgen- und Infrarotspektrometern Informationen über den Mineralgehalt des Trabanten. Sie fanden Kalzium und Magnesium. Eine Miniaturkamera an Bord war in der Lage, hochauflösende Fotos von der Mondoberfläche zu schießen. Darauf konnten die Forscher Berge in Kratern und Ebenen vermessen.

Projektwissenschaftler Foing weist auf eine Entdeckung nahe des Mond-Nordpols hin: Dort fand "Smart-1" ein Gebiet, in dem die Sonne immer scheint, auch im Mondwinter. Es könnte einst ein idealer Platz für eine Siedlung sein, da dort kontinuierlich Energie durch Solarzellen erzeugt werden kann. Immerhin plant die US-Weltraumbehörde Nasa die Rückkehr von Menschen zum Mond und den Aufbau einer Basis als erste Etappe auf dem Weg zum Mars. Auch Inder, Chinesen und Japaner planen Mondmissionen.

Selbst der Aufprall dient noch der Analyse

Nun hat die Sonde ihr Ziel erreicht - und ist zugleich todgeweiht: Mittlerweile sind die Xenon-Vorräte aufgebraucht, der Kurs von "Smart-1" kann vom Kontrollzentrum in Darmstadt aus kaum noch beeinflusst werden, auf jeden Fall gibt es kein Entkommen mehr aus dem Schwerefeld des Mondes. Ihre letzten Tage verwandte die kleine Sonde darauf, mit einer umfunktionierten Sternenkamera Nahaufnahme von der vernarbten, grauen Mondoberfläche zu schießen.

Am morgigen Sonntagmorgen wird "Smart-1" mit einer Geschwindigkeit von etwa 7200 Kilometern pro Stunde aufschlagen - keine Chance, dass auch nur ein Teil der Technik den Bodenkontakt überleben wird. Der Würfel ist eine Mond-, keine Mondlandesonde. Wissenschaftler hoffen darauf, dass der Einschlag eine Menge Staub und Trümmer aufwirbeln wird. Sollten sie hoch genug - etwa 20 Kilometer in die Höhe - geschleudert werden, können Teleskope auf der Erde das Sonnenlicht auffangen, dass sie reflektieren. Daraus sind Rückschlüsse über die Zusammensetzung des Gesteins am Ort des Absturzes möglich.

Der Krater, den der gemächliche Würfel dabei schlagen wird, dürfte mit drei bis zehn Metern Durchmesser eher bescheiden ausfallen. Dergleichen Kratzer sind Alltag für den Erdtrabanten. "Von den Narben solcher Einschläge ist der Mond gezeichnet", erklärt Foing. Das schafft schon ein nur ein Kilogramm schwerer Meteorit - der in der Regel deutlich schneller durchs All rast.

Quelle : www.spiegel.de

[SiLæncer]

Der Aufprall von SMART 1, gesehen von der Erde aus (Infrarot-Aufnahme mit dem kanadisch-französichemTeleskop auf Hawai).

Nach 16 Monaten Flugzeit hat die erste europäische Mondmission SMART 1 heute morgen um 7:42:22 mit dem geplanten Aufprall der Sonde im "Lake of Excellence" auf der der Erde zugewandten Seite ihr Ziel erreicht. So konnte man vom heimischen Planeten aus mit großen Teleskopen den Aufprall – zumindest den Blitz – der rund 300 kg schweren Sonde mitverfolgen. Die Mission ist damit aber noch nicht zu Ende, denn SMART1 lieferte eine riesige Menge an Daten, die es noch aufzubereiten gilt -- Daten über die Morphologie und die mineralische Zusammensetzung der Oberfläche im sichtbaren, Infrarot- und Röntgenbereich.

Ursprünglich war die Mission nur auf sechs Monate ausgelegt, doch die ESA-Wissenschaftler und Ingenieure entschlossen sich, die Sonde noch etwas langsamer fliegen zu lassen. Die Mission war vor allem auch ein Erfolg des Xeon-Ionen-Antriebes, der zwar nur 1,4 Kilowatt Leistung in Schub umsetzt – das aber kontinuierlich. Nur rund 60 kg Xeon waren für den gesamten Flug nötig. Die Energie für den Antrieb stammte von der Sonne, die SMART 1 über zwei zusammen 14 m lange Solarzellenflügel "angezapfte".

Auf der insgesamt 100 Millionen Kilometer langen spiralförmigen Reise umkreiste die Sonde vielfach den Erdtrabanten, zuletzt in einer elliptischen polaren Umlaufbahn in Höhe von 500 bis 3.000 km. Die Bordinstrumente umfassten die Miniaturkamera AMIE, das Röntgenstrahlenteleskop D-CIXS zur Bestimmung der wichtigsten chemischen Elemente der Mondoberfläche, das Infrarotspektrometer SIR zur Kartierung der Mineralien des Mondes und den Röntgensolarmonitor XSM zur Ergänzung der mit dem D-CIXS durchgeführten Messungen und zur Untersuchung der Variabilität der Sonnenaktivität.

Mit SMART 1 haben die Europäer eine neue Ära der Reiselust zum Erdtrabanten eingeläutet. So will im nächsten Jahr die japanischen Weltraumagentur JAXA (ehemals NASDA und ISAS) die Sonde Selena – mit einer Flugzeit von nur sechs Tagen – in den Orbit schicken, China plant den Orbiter Change’1 und auch die indische Weltraumagentur ISRO will in Zusammenarbeit mit der ESA einen Mondbeobachter Candrayann-I in einen nur 100 km hohen Orbit über die Mondoberfläche bringen.

Quelle : www.heise.de

[SiLæncer]

Die Liste der technischen Neuerungen, bei denen die Natur Rollen als Ideengeber und Entwicklungspate übernommen hat, ist lang: Sechsbeinige Erkundungsroboter, deren biologisches Vorbild eine indische Stabheuschrecke ist, künstliche Vögel, die den Flug der Silbermöwe nahezu perfekt imitieren, Quadrokopter, die wie Bienen den optischen Fluss zur Raumorientierung nutzen. Eines der jüngsten Mitglieder im illustren Bionik-Club ist der Brachinus crepitans, gemein hin auch als großer Bombardierkäfer bekannt. Seine Spezialität ist ein außergewöhnlicher und zugleich sehr effektiver Verteidigungsmechanismus: Kommt ihm ein Gegner zu nahe, mischt der Bombardierkäfer im Hinterleib zwei sehr heftig miteinander reagierende Chemikalien zusammen, gibt Katalysatoren in Enzymform hinzu – und schleudert dem Gegner das Ganze dann unter hohem Druck und mit lautem Knall als hundert Grad heißes Gasgemisch ins Gesicht.

Diese Technik wollen Wissenschaftler aus mehreren Nationen im Rahmen eines von der EU geförderten Forschungsprojekts jetzt für die Entwicklung eines neuen Lageregelungstriebwerks für Raumsonden und Satelliten nutzen. "Konventionelle Antriebe brauchen normalerweise einen hohen Druck, der den Treibstoff in die Brennkammern befördert. Man braucht also ein System, das diesen Druck aufbaut – entweder eine Pumpe, einen Drucktank oder dergleichen", erklärt Peter Rickmers vom Bremer Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), das an dem Forschungsprojekt beteiligt ist. "Der Käfer bringt die Chemikalien dagegen mit einem relativ niedrigen Druck in seine Explosionskammer. Dort steigt dann der Druck, und es wird Schub für einen kurzen Moment erzeugt. Dann fällt der Druck wieder ab. Sobald er so niedrig ist, dass die Chemikalien wieder nachfließen können, geht alles von vorne los. Diesen Pulsantrieb wollen wir kopieren."

Bilderstrecke

Mit dem Verzicht auf Drucksysteme vor der Brennkammer lasse sich unter anderem Volumen und Gewicht einsparen, was sich wiederum für das Unterbringen von zusätzlicher Ladung ausnutzen lasse, verdeutlicht Rickmers, Leiter der "Space Propulsion and Energy Systems Group" am ZARM. Im Rahmen des mit insgesamt 2,6 Millionen Euro ausgestatteten EU-Projekts "PulCheR" (Pulsed Chemical Rocket with Green High Performance Propellants) sollen bis Ende 2015 kleine Prototypen mit zwei Antriebsversionen gebaut werden: Eine Variante ist als sogenannter "Monopropellant-Antrieb" ausgelegt, der mit nur einem Treibstoff arbeitet und als Katalysator ein festes Metallgranulat nutzt, das den Zerfall der Treibstoffkomponente auslöst. Bei der "Bipropellant"-Variante, die den "Explosionsapparat" des Bombardierkäfers nachahmt, werden dann zwei Treibstoffe in die Brennkammer gespritzt, die hypergol sind, also bei Kontakt selbst zünden. Als Treibstoffe sind jeweils sogenannte "Green Propellants" vorgesehen, also Treibstoffe und Treibstoffkombinationen, die weniger gefährlich sind als das bislang meist verwendete Hydrazin.

Quelle : www.heise.de