Geplanter Absturz: Ende der Merkur-Mission MESSENGER

Da die Anziehungskraft der Sonne einen solch starken Einfluss auf die Umlaufbahn der Sonde hat, ist ein Absturz auf den Planeten in der Nacht von Donnerstag auf Freitag nicht mehr zu vermeiden. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) war wissenschaftlich umfangreich an dieser Mission beteiligt.

Absturz auf der unsichtbaren Seite des Merkur

Nach Berechnungen der NASA wird der Aufschlag am 30. April 2015 zwischen 21:25 und 21:30 Uhr MESZ erfolgen. Wegen des extrem niedrigen Orbits und der damit erschwerten Kontrolle über die Raumsonde ist der Zeitpunkt mit einiger Unsicherheit behaftet und könnte auch einen Merkurumlauf oder sechs Stunden und 18 Minuten später erfolgen, also am 1. Mai 2015 kurz vor vier Uhr MESZ. "Der Absturz wird auf der von der Erde aus zu diesem Zeitpunkt nicht sichtbaren Seite des Merkurs stattfinden", erklärt Prof. Jürgen Oberst vom DLR-Institut für Planetenforschung. "Wenn MESSENGER auf ihrem Orbit nicht wieder ins Blickfeld der großen 70-Meter-Antennen des NASA-Deep Space Network zurückkehrt und damit kein Signal mehr die Erde erreicht, wird dies die Bestätigung des Absturzes sein." Damit wäre das Ende einer etwa 13 Milliarden Kilometer langen Reise besiegelt. MESSENGER wird dabei dem Merkur eine kleine "Erinnerung" hinterlassen, denn durch die hohe Geschwindigkeit beim Einschlag dürfte nach Berechnungen der Projektwissenschaftler ein Krater von etwa 15 Metern Durchmesser entstehen.

Das DLR ist mit Prof. Jürgen Oberst und Dr. Jörn Helbert im Wissenschaftlerteam der Mission vertreten, das von Prof. Sean Solomon an der Columbia-Universität im US-Bundesstaat New York geleitet wird. Die DLR-Planetenforscher haben vornehmlich die Aufnahmen des Kamerasystems MDIS, die Höhenmessungen des Laser-Altimeters MLA und Daten des Spektrometers MASCS ausgewertet. "Dank der MDIS-Aufnahmen haben wir nun endlich eine globale Abdeckung mit Bildern der Merkuroberfläche", sagt Prof. Oberst. "Damit können exakte Karten und ein Globus des Merkur erstellt werden, vor allem aber lässt sich die geologische Geschichte des Planeten nun sehr viel besser darstellen." Durchgeführt wurde die Mission für die NASA von der Johns-Hopkins-Universität in Maryland.

Merkur zuvor kaum erforscht

Die am 3. August 2004 gestartete MESSENGER-Sonde war überaus erfolgreich und lieferte Daten für zahlreiche wertvolle Ergebnisse. Der innerste Planet des Sonnensystems war bis zu den drei Vorbeiflügen der Raumsonde und schließlich den Beobachtungen aus der Umlaufbahn noch kaum erforscht. Davor prägten Aufnahmen und Experimente dreier Vorbeiflüge der Raumsonde Mariner 10 in den Jahren 1974 und 1975 unser Bild von diesem gerade einmal 60 bis 70 Millionen Kilometer von der Sonne entfernten Planeten. Damals konnte nicht einmal die Hälfte des Merkur fotografiert werden. Ursprünglich hätte die Mission MESSENGER auch nur ein Jahr dauern sollen, sie wurde von der NASA aber zweimal verlängert.

256.000 Bilder zur Erde gefunkt

MESSENGER hatte acht wissenschaftliche Experimente an Bord, darunter ein komplexes Kamerasystem, das im Missionsverlauf fast 256.000 Bilder zur Erde funkte. Ferner einen Laser-Höhenmesser zur Bestimmung der Topographie, vier Spektrometer zur Untersuchung der Mineralogie und Chemie der Oberfläche und der Plasma- und Exosphärenumgebung, so wie ein Magnetometer und ein Radiowellenexperiment zur Bestimmung der Massenverteilung im Planeten. Insgesamt übermittelte die Sonde 10 Terabyte an Daten und revolutionierte das Bild vom sonnennächsten Planeten.

Schwefeliger Vulkanismus, ein schwaches Magnetfeld und Eis in tiefen Kratern

Wegen seiner kraterübersäten Oberfläche wurde dem Merkur lange Zeit eine große Ähnlichkeit mit dem Mond der Erde attestiert. MESSENGER konnte aber zeigen, dass es in der Entwicklung und Zusammensetzung beider Körper gravierende Unterschiede gibt. Sie sind wahrscheinlich auch dadurch begründet, dass der Merkur bei einem Durchmesser von nur 4.878 Kilometern einen überproportional großen Kern aus Eisen und Nickel hat, der fast 70 Prozent der Planetenmasse ausmacht, und nur einen gering mächtigen Mantel aus silikatischem Gestein. Die Wissenschaftler haben außerdem entdeckt, dass große Flächen der Nordhalbkugel von Vulkanismus geprägt sind, der stellenweise ungewöhnlich viel Schwefel enthält. Außerdem konnten sie bestätigen, dass sich in den tiefen Kratern des Nordpols, in die nie ein wärmender Sonnenstrahl dringt, tatsächlich Wassereis befindet. Die Geophysiker im Team waren überrascht, dass das Magnetfeld nur ein Hundertfünfzigstel der Stärke der Erde hat und viel schwächer ist als angenommen. MESSENGER reiht sich ein in die Raumfahrtgeschichte als eine der bedeutendsten Missionen zur Erforschung der erdähnlichen Planeten in unserem Sonnensystem.

Globale Karten, Topographie, Form: ein neues Bild des Merkur

Mit insgesamt 35 Millionen Laserpulsen des Instruments MLA (Mercury Laser Altimeter) konnte die Topographie der nördlichen Hemisphäre bis zum Äquator vermessen werden (wegen der exzentrischen Umlaufbahn der Sonde war dies für die Südhalbkugel nicht möglich). Ferner konnte anhand von Aufnahmen der Silhouette des Planeten gegen den dunklen Hintergrund des Alls von den DLR-Wissenschaftlern ein Modell der globalen Gestalt des Merkur erstellt werden. Die globale Form des Planeten war vor der MESSENGER-Mission nur grob bekannt. Wie alle Planeten, rotiert der Merkur. Für den Planeten waren jedoch die Parameter der Rotation bislang mit Unsicherheiten behaftet. Die besten verfügbaren Modelle stützten sich bisher auf Radarbeobachtungen, die von der Erde aus durchgeführt wurden. Merkur befindet sich in einer gebundenen Rotation, während er zweimal die Sonne umkreist rotiert er exakt dreimal um seine Achse. Die Rotation ist jedoch nicht perfekt gleichförmig, sondern schwankt wegen der exzentrischen Umlaufbahn des Planeten und entsprechender Störungen durch die Sonne. Die Beobachtung dieses Effekts mit MESSENGER lieferte wichtige Hinweise zum inneren Aufbau des Merkur, etwa zur Größe des Planetenkerns. Mit Hilfe der MESSENGER Daten hat das DLR-Team ein neues Rotationsmodell des Merkur erstellt, und hier insbesondere die Rotationsperiode und die Lage der Rotationsachse im Raum neu bestimmt, sowie die Librationsbewegung - das "Schlingern" - des Planeten um seine Rotationsachse neu charakterisiert. Insbesondere konnten die DLR-Planetenforscher und ihre amerikanischen Kollegen mit den Stereo-Bilddaten der Kamera digitale Geländemodelle mit bis zu 50 Metern Auflösung errechnen. Damit konnten neue Oberflächenstrukturen wie zum Beispiel alte, schon stark erodierte, Einschlagsbecken von vielen hundert Kilometer Durchmesser entdeckt werden. Ebenso wurden tektonische Verwerfungen mit den Geländemodellen aufgedeckt.

Der Merkur auf der Erde: Das DLR-Hochtemperaturlabor PEL

Die Temperatur der Oberfläche des Merkurs variiert zwischen minus 173 Grad Celsius in der Nacht und bis zu 450 Grad Celsius am Tag, da es keine Atmosphäre gibt, die diese Extreme ausgleichen könnte. Für Vergleichsstudien hat das DLR das weltweit einmalige planetare Emissivitätslabor (PEL) aufgebaut, dessen Ergebnisse im MESSENGER-Wissenschaftsteam genutzt werden. In diesem Labor können Gesteinsproben bis auf Merkurtemperaturen und sogar darüber hinaus aufgeheizt und dann ihre spektralen Eigenschaften vermessen werden. Unter den hohen Temperaturen verschieben sich die spektralen "Fingerabdrücke", die zur Identifikation von Gesteinen und Mineralen verwendet werden. Die Labormessungen werden mit den mehr als drei Millionen Spektralmessungen der Merkuroberfläche verglichen, die von MESSENGER im sichtbaren Licht und dem nahen Infrarot aufgezeichnet wurden. Allerdings gestaltete sich die Auswertung der Daten schwierig, denn es zeigte sich durch Labormessungen im PEL, dass höchstwahrscheinlich durch die hohen Temperaturen kaum spektrale Signaturen in den von MESSENGER abgedeckten Wellenlängen messbar sind. Proben im Labor haben bis zu 90 Prozent ihrer Signaturen verloren wenn man sie Temperaturen von über 350 Grad Celsius aussetzte. Zudem half das PEL-Labor die ungewöhnliche Struktur sogenannter "Hollows" näher zu verstehen. Dabei handelt es sich vermutlich um Konzentrationen von Sulfiden, die sich auf dem Merkur unter den hohen Temperaturen zersetzen und damit Material verlieren.

Merkurforschung der Zukunft: BepiColombo

In voraussichtlich zwei Jahren wird die Raumsonde BepiColombo zum Merkur aufbrechen, eine gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der japanischen JAXA. Nach siebenjährigem Flug wird sie dann ab 2024 - knapp ein Jahrzehnt nach dem Ende von MESSENGER - die Erforschung des Merkur fortsetzen. Flüge zum Merkur sind aufwendig und daher selten. Das liegt an den dort herrschenden extremen Temperaturen und der Schwierigkeit, das Raumschiff in eine Umlaufbahn um den relativ kleinen Planeten Merkur so nah an der Sonne zu bringen. BepiColombo ist mit einem japanischen Tochtersatelliten und elf wissenschaftlichen Instrumenten eine wesentlich aufwendigere Mission als MESSENGER. Die ESA-Sonde wird in einer relativ engen Bahn um Merkur insbesondere dessen Südhemisphäre erkunden und die MESSENGER-Messungen in der Nordhemisphäre wesentlich ergänzen können. Die japanische Sonde wird dazu auf einer hochelliptischen Bahn das Magnetfeld des Planeten vermessen - ein Highlight der Mission, um dem Ursprung des Feldes auf die Spur zu kommen. Darüber hinaus hat BepiColombo ein Geodäsie- und Geophysikpaket an Bord wie es so noch nie geflogen wurde. Darin enthalten eine Stereokamera, ein Radiowellenanalysator und das Laser-Altimeter BELA, das eine gemeinsame Entwicklung des DLR, MPI für Sonnensystemforschung und der Universität Bern ist. Ergänzt wird dies durch ein innovatives Spektrometerpaket, zu dem auch das Thermal-Infrarotspektrometer MERTIS des DLR und der Universität Münster gehört.

Quelle

DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
Das DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.) ist die deutsche Raumfahrtagentur. Es wurde 1969 durch den Zusammenschluss mehrerer Einrichtungen gegründet.

Webseite: http://www.dlr.de

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Auch wenn der Merkur in "nur" 100 Millionen Kilometer Entfernung zur Erdbahn seine - stark elliptische Bahn um die Sonne zieht, ist er wegen seiner Nähe zur Sonne ein extrem schwierig anzusteuerndes Ziel für die Raumfahrt. Deshalb sind Missionen zum Merkur aufwendig und werden nur selten realisiert. MESSENGER war nach drei Nahvorbeiflügen der NASA-Sonde Mariner 10 in den Jahren 1974 und 1975 die erste Sonde, die den Merkur aus einer Umlaufbahn untersuchen konnte. Der Grund für die raumfahrttechnischen Schwierigkeiten liegt an den dort herrschenden extremen Temperaturen und der Herausforderung, das Raumschiff in eine Umlaufbahn um den relativ kleinen Planeten Merkur zu zwingen. In der Umgebung des Merkur dominiert die Schwerkraft der nur 60 Millionen Kilometer entfernten Sonne. Die Schwerkraft des Merkur ist dort nur eine kleine lokale Störung des Gravitationsfeldes, die es exakt anzusteuern gilt, damit der Planet die Sonde nach einem Bremsmanöver "einfangen" kann. Ist die Sonde im Orbit, müssen Technik und Experimente vor der extremen Hitze einerseits und der Kälte im Schatten des Merkur andererseits geschützt werden.
© NASA / JHU-APL

Mit Stereobilddaten des MESSENGER-Kamerasystems und Laser-Punktmessungen aus der Umlaufbahn der Raumsonde konnte erstmals ein Modell der Topograhie der Merkuroberfläche und eine Bestimmung der exakten Gestalt des Planetenkörpers vorgenommen werden. Die maximalen Höhenunterschiede in der Merkurlandschaft betragen etwa zehn Kilometer. An der Berechnung der dafür erforderlichen digitalen Geländemodelle und der Planetenform waren auch Wissenschaftler des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin-Adlershof beteiligt. Das Bild zeigt eine Falschfarbendarstellung der Nordhemisphäre des Merkur mit tief gelegenen Gebieten in violett und blau, und höher gelegenen Regionen in grün, gelb, rötlichen Tönen und weiß. Die beiden markanten Krater in dem rosa getönten Band, das sich quer durch die Bildmitte zieht, tragen die Namen Rubens und Monteverdi. Die Internationale Astronomische Union, die für die Benennung von Strukturen auf den Körpern des Sonnensystems zuständig ist, verwendet für den Merkur die Namen von männlichen Komponisten, Künstlern, Dichtern oder Malern. Im Bildhintergrund sind ausgedehnte Flächen erstarrter dünnflüssiger Lavaströme zu sehen.
© NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington

Eine der ersten und wichtigsten Aufgaben der MESSENGER-Raumsonde war es, möglichst schnell den gesamten Planeten in Bildern zu erfassen. Vor der Mission waren nur etwa 45 Prozent der Planetenoberfläche bekannt. Diese Aufgabe hatte MESSENGER nach einem Merkurtag bewältigt, der wegen der ungewöhnlichen Resonanzverhältnisse und Rotation des Merkur 176 Erdentage lang ist. Das linke Bildmosaik wurde aus monochromen Aufnahmen im Klarfilter zusammengefügt, die Original-Bildauflösung beträgt etwa 250 Meter pro Bildpunkt (Pixel). Das rechte Bild ist ein Bildmosaik auf Aufnahmen, die durch acht Farbfilter des MESSENGER-Kamerasystems aufgenommen wurde und hat eine Bildauflösung von etwa einem Kilometer pro Pixel. Beide Bilder zeigen dieselbe Hemisphäre mit dem 75. östlichen Längengrad jeweils in der Bildmitte. Der Merkur hat einen Durchmesser von 4.878 Kilometern.
© NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington

Die Kombination der in unterschiedlichen Farbfiltern des MESSENGER-Kamerasystems MDIS gewonnenen Aufnahmen ermöglicht es, auf der für das menschliche Auge nahezu homogenen Merkuroberfläche Unterschiede in der mineralogischen Zusammensetzung der Gesteine zu identifizieren. Auf diesem Bild des 175 Kilometer großen Kraters Derain, benannt nach dem französischen Maler André Derain (1880-1954), verrät sich durch den stark erhöhten Farbkontrast ein Material mit sehr niedrigem Reflexionsvermögen in dunklem Blau von vermutlich dünnflüssigen, vulkanischen Lavaströmen, die in der rechten (westlichen) Kraterhälfte eine jüngere Oberfläche gebildet haben und in hellerem Blau und Orange dargestellt sind. Das dunkle Material könnte beim Einschlag, der den Krater gebildet hat, aus größerer Tiefe an die Oberfläche geschleudert worden sein.
© NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington

Geologen im MESSENGER-Team haben herausgefunden, dass die nördlichen Regionen des Merkur von ausgedehnten Ebenen erstarrter vulkanischer Lavaströme bedeckt sind. Sie sind auf diesem Bild gut an der relativ ebenen Oberfläche zu erkennen, auch zahlreiche so genannte "Runzelrücken" (engl. Wrinkle ridges) verraten den Vulkanismus, der hier seine Spuren hinterlassen hat. Sie entstehen bei der Abkühlung der Lavaströme. Die dünnflüssige Lava ergoss sich in zahlreiche Vertiefungen von Einschlagskratern, von denen oft nur noch der Rand zu sehen ist - die Geologen nennen diese Strukturen "Geisterkrater". Nicht geklärt ist nach wie vor, wie der Merkur derart große Mengen an Lava in seinem Inneren produzieren konnte. Denn im Gegensatz zu den anderen Planeten des inneren Sonnensystems und dem Mond hat der Planet unter seiner Kruste nur einen geringmächtigen Gesteinsmantel, der sich über einen überproportional großen Kern aus Eisen und Nickel wölbt.
© NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington