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Donnerstag, 21. Februar 2019

Forschung

Sieben Jahre Bremsen

Von Iestyn Hartbrich | 18. Oktober 2018 | Ausgabe 42

Mit der milliardenschweren Mission BepiColombo will die ESA den Merkur besuchen. Porträt eines merkwürdigen Planeten.

BU BepiColombo
Foto: US Astrogeology

Merkurkarte: Die Rohdaten stammen von der Nasa-Sonde Messenger, dem bislang letzten Besucher des sonnennächsten Planeten.

Sollte es einst einer besonders hitzeresistenten Spezies gelingen, den Merkur zu besiedeln, dann sollte sie einen Fehler vermeiden: Verabredungen um „kurz nach Sonnenaufgang“ werden zu Enttäuschungen führen. Auf dem Merkur gibt es das Phänomen des doppelten Sonnenaufgangs. Das heißt: Die Sonne geht erst auf, aber nur ein bisschen, bewegt sich dann zurück zum Horizont, um erst dann richtig aufzugehen.

Grund dafür sind die Rotationsbewegungen des Merkurs. Sein Tag – ein sehr langer Tag – dauert 59 Erdentage. Und sein Jahr – ein sehr kurzes Jahr – dauert 88 Erdentage. In zwei Jahren vergehen hier also nur drei Tage. Gleichzeitig ist seine Bahn um die Sonne elliptisch. Auf dem sonnennahen Teil der Bahnkurve ist seine Winkelgeschwindigkeit sehr hoch. So hoch, dass ein gerade noch von der Morgensonne geküsstes Fleckchen Merkur entgegen jeder Intuition durch den Positionswechsel des Planeten im Jahresverlauf schneller dem Licht entzogen wird, als es sich im Tageslauf zur Sonne drehen konnte. Klingt kompliziert? Nicht schlimm. Selbst gestandene Planetologen haben damit ihre Probleme. Licht in die Morgendämmerung bringt die Youtube-Suche mit den Stichworten „mercury“ und „double sunrise“.

Ein doppelter Sonnenaufgang ist ein niedlicher Effekt, wäre aber noch keine Forschungsmission wert, zumal eine, für die die ESA ein Budget von 1,3 Mrd. € veranschlagt. Dass sie sich mit BepiColombo heute Nacht trotzdem zum Merkur aufmacht, liegt an den anderen Absonderlichkeiten dieses Planeten. „Immer, wenn eine Raumsonde beim Merkur war, gab es unerwartete Messergebnisse“, sagt Johannes Benkhoff, der verantwortliche ESA-Wissenschaftler, in unverhohlener Vorfreude.

Da ist zum Beispiel die Sache mit dem Magnetfeld. Teil der Mission ist das japanische Modul MMO, dessen Aufgabe es ist, die Magnetosphäre am Merkur zu vermessen. Frühere Besuche – bislang gab es nur die beiden Nasa-Missionen Mariner 10 und Messenger – haben die Erkenntnis gebracht, dass der Planet ein Magnetfeld besitzt, dem irdischen nicht unähnlich. Das bedeutet aber auch, dass im Kern des Merkur flüssiges Metall strömen muss. Denn nur ein solcher Ladungstransport kann ein Magnetfeld induzieren, wie ein Dynamo in Planetengröße.

Das zwangsläufige Vorhandensein eines solchen Dynamoeffekts am Merkur führt auf ein Paradoxon. „Einerseits müsste der Kern flüssig sein. Andererseits müsste ein so kleiner Planet wie der Merkur mittlerweile vollständig abgekühlt sein“, sagt Heike Rauer, Leiterin des DLR-Instituts für Planetenforschung, das für zwei BepiColombo-Instrumente zuständig ist. Um das Rätsel zu lösen, soll das thermische Infrarotspektrometer Mertis über vier Merkurjahre eine Temperaturkarte der Oberfläche erstellen und damit Informationen über ihre Wärmeleitfähigkeit sammeln. Eine hohe thermische Trägheit der Kruste könnte erklären, warum der Eisenkern noch immer flüssig ist.

Und damit hören die Rätsel um den Kern nicht auf. Merkur ist – gemessen an seiner Winzigkeit – einfach zu schwer: Er besitzt die zweithöchste Dichte der Planeten in unserem Sonnensystem, gleich nach der Erde. Ganz offensichtlich verfügt er über mehr schwere Elemente – Eisen zum Beispiel – als ihm nach den gängigen Theorien zur Planetenbildung zustehen. „Er muss fast nur aus Kern bestehen“, sagt Heike Rauer.

Dieser ungewöhnlich dicke Kern stachelt die Raumfahrtforschung seit langem zur Hypothesenbildung an. Eine davon besagt, dass Merkur aus der Kollision eines großen Metallbrockens mit einem Planeten entstanden ist. Es gilt nicht einmal als sicher, dass er dort entstanden ist, wo er sich heute befindet. Womöglich ist er über die Jahrmillionen dorthin gewandert.

Foto: Airbus Defence and Space

Teures Ensemble: Bei Airbus Defence and Space wurde der BepiColombo-Stapel, bestehend aus zwei Orbitern, dem Transportmodul und einem Hitzeschild, montiert. Das ESA-Budget der Mission beträgt 1,3 Mrd. €.

Es wird auch Aufgabe der Bepi-Colombo-Forschung sein, einem zweiten Hinweis auf die Wanderschaft des Merkur nachzugehen. Die gängigen Theorien zur Entstehung des Sonnensystems gehen davon aus, dass sich anfangs alles Material in einer großen Spirale um die Sonne gedreht hat. Durch Sonnenwinde – Beschuss durch Wasserstoff- und Heliumkerne – sind die leicht-flüchtigen Elemente wie Schwefel und Sauerstoff immer weiter nach außen geschleudert worden. Den Gehalt an leicht-flüchtigen Elementen bestimmen die Forscher mithilfe des Kalium-zu-Thorium-Verhältnisses. Die Erklärung dafür ist in wissenschaftlichen Publikationen gut aufgehoben. Trägt man jedenfalls diesen Wert für die Planeten des Sonnensystems über die Entfernung von der Sonne auf, liegen alle auf einer Geraden. Alle, außer dem Merkur, der wenige leicht-flüchtige Elemente haben sollte und viele davon hat. Sein Wert ist etwa so groß wie der des Mars, der allerdings viermal so weit von der Sonne entfernt ist.

So leicht es ist, interessante Forschungsfragen zu finden, so mühsam ist es, überhaupt zum Merkur zu kommen. Wenn morgen die Ariane-5-Rakete mit dem Equipment der Mission abhebt, erreicht sie schnell die Fluchtgeschwindigkeit der Erde. Das ist die Geschwindigkeit, die nötig ist, um dem irdischen Schwerefeld zu entkommen: 11,2 km/s. Das Problem ist nur: Wenn die Sonden den Merkur erreichen und zu diesem Zeitpunkt noch schneller als 4,3 km/s sind – das ist die Fluchtgeschwindigkeit des Merkur – dann schießen sie einfach vorbei.

Deshalb erfordert die Mission BepiColombo eine Bahnkurve, die es in sich hat. Insgesamt neunmal werden die Sonden sich mit sogenannten Swing-by-Manövern im Gravitationsfeld unterschiedlicher Planeten abbremsen lassen. Zunächst muss die Erde herhalten, dann zweimal die Venus und schließlich sechsmal der Merkur selbst.

Dieser an Komplexität kaum zu übertreffenden Bahn verdankt die Mission ihren Namen. Der Italiener Giuseppe „Bepi“ Colombo, Professor der theoretischen Mechanik, hatte ein ähnliches Unterfangen für die Mariner-10-Mission der Nasa vorgeschlagen, den ersten Merkurbesuch der Menschheit überhaupt, und damit das Repertoire der Raumfahrt um die Swing-by-Strategie erweitert.

Bei allem Verdienst Colombos: Die theoretische Mechanik reicht „nur“ für eine Bremswirkung von 3 km/s. Die restlichen 3,9 km/s übernehmen die Antriebssysteme des Raumfahrzeugs. Allerdings arbeiten sie sehr gemächlich. Die beiden xenonbasierten Ionentriebwerke mit einer Leistung von je 5 kW erzeugen kaum Schub. Stattdessen sind sie voll auf Effizienz getrimmt; ihr spezifischer Impuls, der Schub pro durchgesetztem Massenstrom, ist unangefochten. Das senkt das Startgewicht und verlängert die Reise: Die Triebwerke werden über eine Gesamtdauer von 740 Tagen bremsen müssen – und einmal 117 Tage am Stück.

Da auch das Bremsen durch Gravitation seine Zeit braucht, sind die Sonden insgesamt sieben Jahre unterwegs und erreichen Merkur folglich erst 2026. Jetzt braucht es der ESA auch nicht mehr eilig zu sein, könnten Spötter sagen. Ursprünglich war der Start der Mission für 2013 geplant. Übrigens nicht die einzige gravierende Planänderung. Zunächst war vorgesehen, dass BepiColombo zur Oberfläche des Merkur fliegt. Nun wird die erste Merkurlandung noch auf sich warten lassen.

BepiColombo besteht aus vier Modulen, die die Reise gemeinsam zurücklegen. Der japanische Satellit MMO wird einen hohen Orbit einnehmen. Daneben gibt es auch einen europäischen Satelliten, den von Airbus beigesteuerten Mercury Planetary Orbiter (MPO), dem eine niedrigere Bahn zugewiesen ist. Und natürlich gibt es auch ein Transfermodul: kein Raumflug ohne Triebwerk. Die Nummer vier wird durch eine Eigenart des MMO notwendig. Dieser regelt seinen Thermalhaushalt, indem er rotiert wie ein Dönerspieß und damit alle Seiten gleichermaßen der Sonne und der Rückstrahlung von der Merkuroberfläche aussetzt. Während des Fluges kann er aber nicht rotieren, weil die Module fest miteinander verbunden sind. Deshalb braucht es eigens für die Transferphase einen Hitzeschild, der im Merkurorbit abgetrennt wird.

Hitze, Kälte und Strahlung werden BepiColombo noch beschäftigen. Bereits Satelliten im Erdorbit leiden unter dem dauernden Wechsel zwischen heiß und kalt. Am Merkur vollzieht sich dieser noch viel extremer. Auf der Oberfläche herrschen tagsüber annähernd 450 °C. Nachts sind es 150 °C minus. „Ein derart kompliziertes Projekt hatten wir noch nie“, sagt Max Kowatsch, Geschäftsführer des Raumfahrtzulieferers RUAG Space Austria, der die Isolierung beigesteuert hat.

Die Schichtdicke der Isolierung eines gewöhnlichen irdischen Satelliten beträgt 3 mm. Die Schichtdicke der BepiColombo-Isolierung beträgt 55 mm, das 18-fache. „Die konventionellen Materialien können wir nur ganz innen verwenden“, sagt Kowatsch. Weiter außen sind die Materialien an die Unbilden interplanetarer Raumreisen angepasst. Die äußerste Schicht, die zugleich ein Schutz gegen Mikrometeoriten ist, besteht aus einem Keramikgewebe. Darunter befindet sich aluminiumbedampftes Titan. Der Thermalschutz funktioniert nach dem Prinzip der Viellagenisolation: bis zu 50 Schichten und dazwischen Vakuum. Für den Abstand sorgen sogenannte Spacer. Dieser Aufbau soll dafür sorgen, dass im Inneren 20 °C herrschen, obwohl die äußerste Schicht sich auf bis zu 500 °C aufheizt.

War es beim letzten großen ESA-Vorhaben, der Asteroidenlandemission Rosetta, darum gegangen, fernab der Sonne überhaupt genug Energie einzusammeln, steht BepiColombo unter umgekehrten Vorzeichen. Es gibt zu viel Solarenergie, als dass man die Solarpaneele einfach ausfahren könnte, wie bei irdischen Satelliten. „Stünde der Solargenerator senkrecht zur Sonne, würde er sehr schnell gegrillt. Man muss ihn schräg stellen, damit er nicht abfackelt“, sagt Eckard Settelmeyer, der in der Airbus-Raumfahrtsparte die Bereiche Erdbeobachtung, Navigation und Wissenschaft leitet. Dieser Trick mit dem Streiflicht hat allerdings einen Nachteil: Die Solarpaneele sind riesig und schwer.

Wäre das Sonnensystem eine Schulklasse, dann gäbe es für Merkur nur eine Rolle: die des Klassenclowns. Ob die ESA über seine Witze lachen kann, das zeigt sich in sieben Jahren.