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Deep Impact Mission - Beschreibung Fremdwerk
von Professor aus der Kategorie Freier Text - Wissenschaft, Technik

Astronomie - Der Griff nach den Sternen
Informationen über die interstellaren Missionen Voyager und Pioneer.(In Englisch) Desweiteren andere interessante Texte und Bilder über Astronomie.
Erstellt:    07.07.2005 00:00
Geändert: 07.07.2005 20:25
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Deep Impact (deutsch: tiefer Einschlag bzw. tiefer Eindruck) ist eine NASA-Mission des Discovery-Programms zum Kometen Tempel 1, der innerhalb von fünfeinhalb Jahren die Sonne umkreist und sich der Erde bis auf 133 Millionen Kilometer nähert. Die Mission ist ein Gemeinschaftsprojekt der University of Maryland, des JPL und der Firma Ball Aerospace & Technologies Corp. Die NASA investierte dabei sechs Jahre Arbeit und insgesamt 333 Millionen Dollar, davon 267 Millionen für die Sonde selbst, 15 Millionen für die Durchführung der Primärmission (bis 3. August 2005) und etwa 50 Millionen für die Trägerrakete.


Missionsziele

Das Hauptmissionsziel von Deep Impact ist die Erforschung des Inneren des Kometen Tempel 1. Dazu wird ein 372 kg schweres Projektil (Impaktor) auf den Kometen abgefeuert, welches auf dem Kometen einschlägt und dort einen Krater hinterlässt. Anschließend wird das herausgeschleuderte Material mit den Instrumenten der Sonde sowie mit weiteren Teleskopen auf der Erde und im Weltraum untersucht. Erstmals besteht so die Möglichkeit, den Blick auf das Innere eines Kometen freizugeben und das sich im Kometen befindliche Urmaterial des Sonnensystems freizusetzen. Dieses Material stammt noch aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems und bildet die Kerne von Kometen. Wissenschaftler hoffen, dass durch diese neue Sicht nicht nur die Kometen besser verstanden, sondern auch die Rolle der Kometen in der frühen Geschichte des Sonnensystems besser nachvollzogen werden kann. Die Missionsziele im Einzelnen sind:

Verbesserung des Verständnisses der Schlüsseleigenschaften eines Kometenkerns, sowie erstmals eine direkte Erforschug des Kometeninneren.
Bestimmung von solchen Eigenschaften der Oberflächenschichten wie ihre Dichte, Porosität, Stabilität und Zusammensetzung.
Vergleich der Oberflächenschichten und inneren Schichten des Kometen durch die Beobachtung des Kraters und der ursprünglichen Oberfläche vor dem Einschlag.
Verbesserung des Verständnisses der Evolution eines Kometenkerns, insbesondere des Übergangs zum Ruhezustand, durch den Vergleich des Inneren und der Oberfläche.
Das Ziel der Mission ist somit das Verständnis des Unterschieds zwischen den Eigenschaften des Inneren eines Kometenkerns und denen seiner Oberfläche.

Technik

Deep Impact besteht aus zwei Komponenten: der Vorbeiflugsonde und dem Impaktor, der auf dem Kometen aufschlagen soll. Die Vorbeiflugsonde dient dem Impaktor bis kurz vor dem Aufschlag als Bus. Die Gesamtmasse des Sondenverbundes beträgt beim Start 973 kg (nach anderen Angaben 1022 kg).


Vorbeiflugsonde

Die Vorbeiflugsonde der Deep Impact Mission wurde von der Firma Ball Aerospace & Technologies Corp. entwickelt. Sie hat Abmessungen von etwa 3,2 m Länge, 1,7 m Breite sowie 2,3 m Höhe und eine Startmasse von 601 kg (nach anderen Angaben 650 kg), wobei 86 kg auf den Treibstoff entfallen. Die Sonde ist drei-Achsen-stabilisiert und verfügt über ein fest angebrachtes 2,8 × 2,8 m messendes Solarpanel, welches abhängig vom Abstand zur Sonne bis zu 750 Watt Leistung liefert. Zur Energiespeicherung dient ein 16 Amperestunden NiH2 Akkumulator. Die Struktur der Sonde besteht aus Aluminium und Aluminium in Honigwabenbauweise.

Die Vorbeiflugsonde verfügt über zwei redundante Computersysteme. Das Herz des Bordcomputers ist ein 133 MHz schneller, aus 10.4 Millionen Transistoren bestehender, 32-bit RAD-750 Prozessor. Der Prozessor ist im Grunde ein gegen Strahlung gehärteter PowerPC-750 G3 und ist der Nachfolger des RAD6000-Prozessors, der beispielsweise in den Mars-Rovern Spirit und Opportunity Verwendung findet. Dies ist der erste Einsatz des RAD-750 Prozessors. Beide Rechner der Sonde verfügen über einen gemeinsamen Speicher von 1.024 MByte. Eine Datenmenge von 309 MByte wird von der Raumsonde erwartet.

Die Kommunikation mit der Erde erfolgt im X-Band auf einer 8 GHz Frequenz mit maximal 175 Kbps zur Erde und 125 bps zur Sonde. Mit dem Impaktor wird im S-Band mit 64 Kbps auf einer maximalen Entfernung von 8.700 km kommuniziert. Die Sonde verfügt über eine bewegliche 1 m Hochgewinnantenne (HGA) und zwei fest angebrachte Niedriggewinnantennen (LGA). Für Kurskorrekturen ist ein Antriebsystem, bestehend aus einer Gruppe von Triebwerken, vorhanden. Das Antriebssystem mit einem Gesamtschub von 5.000 N verbrennt Hydrazin und vermag eine Geschwindigkeitsänderung um 190 m/s zu erzeugen.


Impaktor

Der Impaktor stammt ebenfalls von Ball Aerospace & Technologies Corp. und ist 1 m hoch, hat einen Durchmesser von 1 m und wiegt 372 kg, wobei 8 kg davon auf den Treibstoff für Kurskorrekturen unmittelbar vor dem Aufprall entfallen. Der Impaktor besteht überwiegend aus Kupfer (49%) und Aluminium (24%). Diese Mischung verringert eine Verunreinigung der Spektrallinien des Kometenkerns, die nach dem Aufprall aufgenommen werden, da Kupfer auf dem Kometen nicht vorkommen sollte. 113 kg der Impaktor-Gesamtmasse sind "cratering mass", bestimmt dazu, einen möglichst großen Krater zu erzeugen. Diese Masse besteht aus mehreren Kupfer-Platten, die am vorderen Ende des Impaktors angebracht sind. Diese Platten bilden eine sphärische Form.

Der Impaktor wird 24 Stunden vor dem Aufschlag auf dem Kometen von der Vorbeiflugsonde, mit der er mechanisch und elektrisch verbunden ist, abgetrennt. Lediglich die letzten 24 Stunden bezieht er seine Energie von einer bordeigenen nichtaufladbaren Batterie mit einer Kapazität von 250 Amperestunden. Der Bordcomputer und die Flugsteuerung des Impaktors sind der Vorbeiflugsonde ähnlich. Bedingt durch die kurze Lebensdauer verfügt der Impaktor im Gegensatz zur Vorbeiflugsonde über keine redundante Systeme. Die Datenrate zur Vorbeiflugsonde beträgt 64 Kbps auf einer maximalen Entfernung von 8.700 km. Kommandos werden mit 16 Kbps zum Impaktor übertragen. Das hydrazinverbrennende Antriebssystem besteht aus einer Gruppe von Triebwerken mit einem Gesamtschub von 1.750 N und ermöglicht eine Geschwindigkeitsänderung um 25 m/s.

Ablauf der Mission

Die ersten Vorschläge für eine Kometeneinschlagmission gab es bei der NASA bereits 1996. Doch damals bleiben NASA-Ingenieure skeptisch, dass der Komet getroffen werden kann [3]. Ein überarbeiteter und technologisch auf den neusten Stand gebrachter Missionsvorschlag, genannt Deep Impact, wurde im März 1998 von der NASA in die Auswahl für eine Mission im Rahmen des Discovery-Programms einbezogen, im November 1998 war Deep Impact einer der fünf Finalisten mit der besten wissenschaftlichen Ausbeute von insgesamt 26 Vorschlägen. Schließlich wurde am 7. Juli 1999 Deep Impact zusammen mit MESSENGER zur Finanzierung im Rahmen des Discovery-Programms genehmigt [4]. Beide Teile der Deep Impact Raumsonde (Vorbeiflugsonde und Impaktor) sowie die drei wissenschaftlichen Instrumente wurden bei Ball Aerospace & Technologies Corp. in Boulder, Colorado, USA gefertig. Ihren Namen teilt die Raumsonde mit dem etwa zur gleichen Zeit erschienenen Film Deep Impact, der von einem Kometen, welcher mit der Erde zu kollidieren droht, handelt. Die Namensgleichheit soll jedoch zufällig entstanden sein.

Start

Bei der Entwicklung der Deep Impact Mission war der Start der Sonde zunächst für Januar 2004 mit einem Swing-By Manöver an der Erde am 31. Dezember 2004 und dem Zusammentreffen mit dem Kometen Tempel 1 am 4. Juli 2005 geplant [5]. Doch aufgrund von Schwierigkeiten bei der Entwicklung der Sonde konnte der Starttermin nicht gehalten werden, der schließlich auf den 30. Dezember 2004 verschoben wurde. Dadurch flog die Sonde auf einer direkten Route zum Kometen, brauchte dafür allerdings eine etwas stärkere und daher auch teuerere Trägerrakete [6].

Am 18. Oktober 2004 traf Deep Impact in Cape Canaveral zu Startvorbereitungen ein. Doch auch der Starttermin am 30. Dezember 2004 konnte nicht gehalten werden und wurde zunächst auf den 8. Januar 2005 verschoben, um mehr Zeit für Softwaretests zu haben. Deep Impact wurde schließlich am 12. Januar 2005 um 13.47 Uhr Ortszeit mit einer Delta II 7925 Trägerrakete, ausgestattet mit einer Star-48 Oberstufe, vom Raumfahrtbahnhof Cape Canaveral auf eine sechsmonatige und 431 Millionen Kilometer weite Reise zum Kometen Tempel 1 geschickt. Kurz nach dem Einschuß in die interplanetare Transferbahn ging die Sonde in ein "safe mode", konnte aber schnell reaktiviert werden. Als Ursache wurde ein zu empfindlicher Temperatursensor festgestellt, was die Mission nicht weiter gefährdete.


Flug

Nach dem erfolgreichen Start begann die commissioning phase der Mission, während der die Flugsysteme und die Instrumente aktiviert, getestet und kalibriert wurden. Diese Tests ergaben ein vermindertes Auflösungsvermögen des HRI-Teleskops, es stellte sich später heraus, dass dieser Fehler nachträglich durch Bearbeitung auf der Erde korrigiert werden kann (mehr dazu im HRI-Abschnitt dieses Artikels) [7], [8].

Am 11. Februar 2005 wurde wie geplant das erste Kurskorrekturmanöver durchgeführt. Dieses Manöver war so präzise, dass die nächste geplante Kurskorrektur am 31. März abgesagt werden konnte. Am 25. März begann die cruise phase, die bis 60 Tage vor dem Eintreffen beim Kometen laufen sollte. Am 25. April machte Deep Impact mit dem MRI-Instrument das erste Foto des Zielkometen, welcher zu dem Zeitpunkt noch 63,9 Millionen Kilometer von der Sonde entfernt war [9]. Am 4. Mai folgte das zweite Kurskorrekturmanöver, wobei die Triebwerke für 95 Sekunden feuerten und die Geschwindigkeit der Sonde um 18,2 km/h (5 m/s) änderten.

Am 5. Mai begann die approach phase, die von 60 Tage bis fünf Tage vor dem Zusammentreffen mit dem Kometen lief. 60 Tage vor dem Eintreffen sollte der frühstmögliche Termin sein, um den Kometen mit dem MRI-Instrument entdecken zu können. In der Tat wurde der Komet bereits am 25. April erfolgreich fotografiert. In dieser Flugphase wurde die Umlaufbahn des Kometen, seine Rotation, Aktivität und Staubeigenschaften studiert. Am 14. Juni und 22. Juni beobachtete Deep Impact zwei Ausbrüche auf dem Kometen, der letzte sechs Mal stärker als der erste [10]. Am 23. Juni wurde die dritte Kurskorrektur durchgeführt, wobei die Geschwindigkeit der Sonde um 6 m/s verändert wurde.


Begegnung mit dem Kometen


Die Sonde kam dort am 4. Juli 2005 an und warf einen Impaktor, ein 372 Kilogramm schweres Projektil, ab. Dieses prallte mit einer Geschwindigkeit von etwa 37.000 Kilometern pro Stunde auf den Kometen, und riß so einen mindestens ca. 25 Meter tiefen und ca. 100 Meter breiten Krater. Die Geschwindigkeit des Kometen wird durch den Einschlag mit 10,2 km/sec (ca. 19 GJoule oder 4,6 Tonnen TNT) nur um 0,0001 mm/sec verringert, also fast unmessbar.

Das Ereignis wurde sowohl von der Vorbeiflugsonde als auch von mehreren im Weltraum und auf der Erde stationierten Teleskopen beobachtet. Zu den beteiligten Weltraumobservatorien zählen Hubble-Weltraumteleskop, Spitzer, Chandra, GALEX und SWAS. Die europäische Raumfahrtagentur ESA richtete die Instrumente ihrer Rosetta-Raumsonde ebenfalls auf Tempel 1, die zwar sehr weit vom Ereignisort entfernt ist, dafür aber eine Sicht unter einem anderen Blickwinkel erlaubt
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