Rosetta (Raumsonde)

Rosetta ist eine Raumsonde der ESA zum Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko. Gestartet am 2. März 2004 mit einer Ariane 5 G+ passierte die von EADS Astrium in Friedrichshafen gebaute Sonde nach einigen Swing-By-Manövern an Erde und Mars die Asteroiden (2867) Šteins und (21) Lutetia und verbrachte dann zweieinhalb Jahre im „Kälteschlaf" (Deep Space Hibernation).

Am 22. Mai wird die Sonde in eine Umlaufbahn um den Kometen einschwenken und ihn nach weiterer Annäherung im August kartographieren, um die Landung von Philae vorzubereiten. Dieser 100 kg schwere ballistische Lander soll im November auf dem Kometen aufsetzen und Experimente starten, die Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Kometen und damit auf die des frühen Sonnensystems zulassen.

Der Name Rosetta bezieht sich auf den Stein von Rosetta, mit dessen Hilfe die Entzifferung der ägyptischen Hieroglyphen gelang. Der Name des Landers Philae bezieht sich auf eine Insel im Nil, auf der ein Obelisk gefunden wurde, der bei der Entzifferung des Steins von Rosetta half. An Bord befindet sich ein Prototyp der sogenannten Rosetta Disk, einer etwa fünf Zentimeter großen Scheibe aus einer Nickellegierung, auf der etwa 15.000 Seiten Text mit Informationen für über 2500 Sprachen in mikroskopischer Größe eingeätzt sind.

Ursprünglich war der Start von Rosetta bereits am 13. Januar 2003 geplant und als Ziel war der Komet 46P/Wirtanen vorgesehen. Wegen Schwierigkeiten mit dem Ariane-5-Raketenprogramm wurde der Start um ein Jahr verschoben.

Am 26. Februar 2004 wurde der Start vom Weltraumzentrum Kourou in Französisch-Guayana kurzfristig wegen heftiger Höhenwinde und am nächsten Tag wegen eines Defekts am Hitzeschutz erneut verschoben. Am 2. März 2004 um 8:17 Uhr MEZ hob schließlich die Trägerrakete vom Typ Ariane 5 G+ mit der drei Tonnen schweren Sonde an Bord ab.

Keine existierende Trägerrakete vermag eine so schwere Nutzlast direkt auf die Bahn eines Kometen zu bringen. Dazu liegen Erde und Kometen im Gravitationspotential der Sonne zu weit auseinander. Vielmehr brachte die Ariane-Oberstufe Rosetta lediglich auf eine erdnahe Bahn um die Sonne, also im Wesentlichen aus dem Gravitationspotential der Erde heraus. Dies ist im nebenstehenden Diagramm mit „1" markiert. Nach wenigen Tagen stand fest, dass die gewünschte Bahn genau genug getroffen wurde, sodass Rosettas eigener Treibstoff für alle Missionsziele reichen würde, insbesondere für Bahnkorrekturen für die beiden geplanten dichten Vorbeiflüge an Asteroiden.

Ein Jahr später, am 4. März 2005, flog Rosetta ein erstes Swing-By-Manöver, bei dem die Sonde sich der Erdoberfläche bis auf 1900 km näherte. Die Sonde flog vor dieser Begegnung „2" leicht außerhalb der Erdbahn und war von der Erde mitgeschleppt und beschleunigt worden. Danach entfernte sie sich vergleichsweise rasch nach außen und verlor so weniger Energie als sie vorher von der Erde erhalten hatte. Ihre Bahn kreuzte nun bei „3" die des Planeten Mars, den sie dort nach einem weiteren Umlauf und Kurskorrekturen am 29. September (32 m/s) und 13. November 2006 (0,1 m/s) zu einem sehr engen Swing-By traf. Diese Begegnung, am 25. Februar 2007, mit einem Minimalabstand von nur 250 km, verlangsamte Rosetta um 2,19 km/s,^[1] was die darauf folgende Wechselwirkung mit der Erde umso ergiebiger machte. Diese Wechselwirkung bei „4/6" bestand aus zwei Begegnungen jeweils am 13. November der Jahre 2007 und 2009, Abstände 5295 bzw. 2481 km. Der Energiegewinn drückt sich aus in der Zunahme der großen Halbachse der Bahn auf knapp 1,6 bzw. 3,1 AE – 3,5 AE ist der Wert für den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko, dem sich die Sonde seither nähert.

Rosetta beobachtete den Deep Impact am 4. Juli 2005 aus etwa 80 Millionen Kilometern Entfernung quer zur Beleuchtung durch die Sonne. Insbesondere war Rosettas UV-Spektrometer ALICE das bestgeeignetste Instrument seiner Art, das für die Beobachtung dieses Ereignis zur Verfügung stand.^[2]

Am 5. September 2008 passierte Rosetta bei „5", also am inneren Rand des Asteroidenhauptgürtels, den 4,6 Kilometer^[3] großen (2867) Šteins mit einer Relativgeschwindigkeit von 8,6 km/s. Mit einem für die ESA neuen optischen Navigationsverfahren gelang der Vorbeiflug im geplanten Abstand von 800 km. Zur Berechnung von Korrekturmanövern machten die beiden Navigationskameras (NAVCAM) und die wissenschaftliche Kamera OSIRIS wiederholt Bilder vom Asteroiden vor dem Sternenhintergrund. Während des Vorbeiflugs wurden sowohl Daten mit der optischen Kamera OSIRIS als auch mit dem Spektrometer VIRTIS gesammelt. Dazu musste die Sonde gedreht werden, sodass die Kommunikationsantenne nicht zur Erde zeigte. Nach 90 Minuten Funkstille bestätigten die ersten Telemetriedaten den Erfolg des Manövers.^[4] Die daraufhin veröffentlichten Bilder zeigen einen brillantförmigen Körper mit einer großen Zahl von Impaktkratern.^[5] Für Ergebnisse siehe (2867) Šteins.

Rosetta passierte am 10. Juli 2010 bei „7" den rund 100 km großen Asteroiden (21) Lutetia mit 3162 km Abstand und einer Relativgeschwindigkeit von 15 km/s.^[6]

Neben der Erforschung Lutetias – der Asteroid ist geprägt von riesigen Kratern, Graten und Erdrutschen sowie mehrere hundert Meter großen Felsen – diente der Vorbeiflug auch einem Test der wissenschaftlichen Instrumente von Rosetta sowie von einem der zehn Experimente des Landers Philae in großer Kälte, 407 Millionen km von der Sonne und 455 Millionen km von der Erde entfernt.

Rosettas Energieversorgung durch Solarzellen war ein Novum für Missionen jenseits der Marsumlaufbahn. Mit der Strahlungsintensität, die quadratisch mit der Distanz von der Sonne abnimmt, sinkt auch die verfügbare elektrische Leistung. Die sehr groß dimensionierten Solarmodule erlaubten im März 2011 gerade noch einen ersten Blick auf das eigentliche Ziel der Mission, den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko, aus über 1 AE Abstand. Die weitere Annäherung geschah aber in einem weiten Bogen, der mit maximal 790 Mio. km Sonnenabstand fast bis zur Jupiterbahn reichte. Für die 31 Monate jenseits von etwa 660 Mio. km Sonnenentfernung, vom „8" bis „9" in obigem Diagramm, wurde daher die Sonde in einen „Schlafmodus" versetzt (Deep Space Hibernation), in dem die geringe verfügbare Leistung nur der Lebenserhaltung diente (Bordcomputer und einige Heizelemente für die wissenschaftliche Nutzlast).^[7]

Am 20. Januar 2014 erwachte Rosetta planmäßig aus diesem Ruhezustand und bereitet sich seither auf das Rendezvous vor. Geplant sind:

• Eintritt in eine Umlaufbahn um den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko (22. Mai 2014) → „10"
• Kartografierung des Kometen (August 2014)
• Landung auf dem Kometen (Anfang November 2014) → „11"
• Eskorte des Kometen um die Sonne herum (November 2014 bis Dezember 2015) → „12"

Die Grundstruktur von Rosetta besteht aus einem Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung mit 2,8 ×ばつ 2,1 ×ばつ 2,0 Metern Größe, wobei die wissenschaftlichen Instrumente (etwa 165 kg insgesamt) auf der Oberseite und die Bus Support Module an der Basis angebracht sind. An der Seite sind eine 2,2-Meter-Antenne für die Kommunikation (S-Band und X-Band mit 10 bis 22.000 Bits pro Sekunde), die jeweils fünfteiligen Solarzellenausleger mit 32 Meter Spannweite (32 Quadratmeter Fläche und 850 W Leistung in einer Entfernung von 3,4 AE und 395 W bei 5,25 AE) und der etwa 100 kg schwere Lander angebracht. Das Antriebssystem besteht aus 24 Zweistoff-Triebwerken mit je zehn Newton Schub, für die etwa 1670 kg Treibstoff an Bord sind.

An Bord von Rosetta befinden sich elf Instrumente:^[8]

• Das Ultraviolett-Spektrometer ALICE wird nach verschiedenen Edelgasen suchen, deren Verteilung etwas über die Umgebungstemperatur während der Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren aussagt. Dies ist das einzige US-Instrument der Rosetta-Sonde, eine weiterentwickelte Version von Alice findet ebenfalls in der Sonde New Horizons Verwendung.
• Das Bildgebungssystem OSIRIS (Optical, Spectroscopic and Infrared Remote Imaging System) mit zwei Kameras: Weitwinkel mit ×ばつ12° und Tele mit ×ばつ2,2° Sichtfeld. Jede mit Spiegeloptik, Filterrad und 4-Megapixel-Sensor. Zum Orientieren sowie Fotografieren insbesondere der Partikelwolke und der Oberfläche des Kometen hinunter bis zu 2 cm Auflösung bei größter Annäherung auf 1 km Abstand, in sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereichen. Auch zur Suche eines Landeplatzes für den Lander.^[9]
• VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) soll mittel bis gering aufgelöste Bilder vom Kometenkern schießen, aus denen sich auf die räumliche Verteilung von gefundenen Elementen schließen lässt.
• Das Instrument MIRO (Microwave Spectrometer for the Rosetta Orbiter) soll nach extrem flüchtigen Elementen suchen und ihre Verdampfungsrate messen. Darüber sollen Informationen zur Zusammensetzung von Kern und Koma, zur kometaren Aktivität und zu physikalischen Eigenschaften der Kernoberfläche und von Komamolekülen gewonnen werden.
• ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) besteht aus einem Magnet-DFMS und einem Flugzeit-Massenspektrometer RTOF , die Ionen und Neutralgasteilchen nachweisen können. Dadurch lässt sich zum Beispiel die Zusammensetzung der kaum vorhandenen Kometenatmosphäre und Wechselwirkungen der Teilchen bestimmen.
• Für die Untersuchung des Kometenstaubs wird COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Spectrometer) ebenfalls mit einem Massenspektrometer die Häufigkeiten von Elementen, Isotopen und Molekülen bestimmen.
• Das hochauflösende Rastersondenmikroskop MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System) kann die Feinstruktur einzelner Staubteilchen abbilden.
• Das RPC (Rosetta Plasma Consortium) beinhaltet Ionen- und Elektronendetektoren sowie ein Magnetometer. Sie messen physikalische Eigenschaften des Kerns und der Koma, sowie die Wechselwirkungen zwischen Koma und Sonnenwind.
• Das CONSERT-Experiment (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radio wave Transmission) erkundet die Struktur der Kometenkerns.
• GIADA (Grain Impact Analyser) untersucht die Koma und bestimmt die Anzahl, Größe und Geschwindigkeit der darin befindlichen Staubkörner.
• Durch Nutzung des Kommunikationssystems bestimmt RSI (Radio Science Investigation) das Gravitationsfeld des Kometen sowie Größe, Masse, Form und Struktur des Kometenkerns.

Die wissenschaftlichen Daten werden auf einem Solid-State-Speicher mit 25 GBit Kapazität gespeichert. Weitere zehn Instrumente befinden sich an Bord des Landers, deren Daten über Rosetta als Relaisstation zur Erde gelangen.

Durch die Rosettamission wird in einigen Bereichen der Weltraumforschung Neuland betreten. Das Missionsprofil weist mehrere Besonderheiten auf.

Zur Erforschung des Kometen soll in einen Orbit um ihn eingeschwenkt werden. Unter anderem soll das Gravitationspotential des Kometen vermessen werden, das in der Nähe deutlich von einem Zentralpotential abweicht und beobachtbare Bahnstörungen verursacht. Dabei sind weiter Effekte zu berücksichtigen:^[10]

• Der Strahlungsdruck ist von der Sonne weg gerichtet.
• Die Koma des Kometen entsteht in Sonnennähe durch Ausgasungen aus aktiven Stellen des Kometen. Der Teilchenstrom erzeugt eine Kraft vom Kometen weg. Ebenso kann durch die (stationäre) Teilchenwolke um den Kometen eine Abbremsung der Sonde auftreten.
• Die Gezeitenkraft der der Sonne.

Durch die große Laufzeit der Kommunikationssignale ist eine direkte Steuerung von der Erde aus nicht möglich. Sonde und Lander müssen daher autonom agieren können. Insbesondere betrifft das die Lageregelung.

Das Minor Planet Center, welches erdnahe Asteroiden beobachtet, veröffentlichte in einem Zirkular vom 8. November 2007 die Entdeckung eines Objektes, das sehr nahe an der Erde vorbeifliegen würde und vergab ihm die Katalogbezeichnung 2007VN84. Schnell stellte sich heraus, dass in Wirklichkeit die Raumsonde Rosetta auf ihrem Anflug zum zweiten Swing-by-Manöver an der Erde beobachtet wurde. Die Bezeichnung wurde daher wieder zurückgezogen.

Darüber hinaus entdeckte das Forscherteam einen Körper, der Rosetta zu folgen schien. Nachdem verlorengegangene Bauteile der Sonde selbst ausgeschlossen werden konnten, wurde ein Objekt der die Erdbahn kreuzenden Apollo-Asteroiden in Erwägung gezogen. Es konnte bis zum Erdvorbeiflug am 13. November 2007 verfolgt werden.^[11]

• Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen

• Rosetta, EADS Astrium
• Artikelserie der ESA
• ESA Science: Rosetta (englisch)
• Rosetta, Seite des DLR mit Animation
• Rosetta Lander (englisch)
• Rosetta (Rosina) der Universität Bern (englisch) bzw. hier (deutsch)
• Rosetta-Mission, Aufsätze
• Rosetta: Hieroglyphen des Planetensystems
• Philae, der erste Kometenlander
• Philae - Rosetta Lander (Memento vom 7. August 2007 im Internet Archive ), mit Bildern und 3D-Grafiken zum Landegestell, Max-Planck-Institut
• RPC-MAG, Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik, Technische Universität Braunschweig
• Wake up Rosetta! (Press Room of ESOC on Youtube)

1. ↑ ESA: ESOC swings into action for Rosetta swingby, 29. November 2006.
2. ↑ ESA: Rosetta monitors Deep Impact, 20. Juni 2005.
3. ↑ ESA: Begegnung der anderen Art: Rosetta beobachtet Asteroiden aus nächster Nähe, 6. September 2008.
4. ↑ ESA: Rosetta flyby confirmed, 5. September 2008.
5. ↑ ESA: Steins: A diamond in the sky, 6. September 2008.
6. ↑ DLR: Kometensonde Rosetta sendet einzigartige Bilder vom Asteroiden Lutetia, 10. Juli 2010.
7. ↑ ESA: Rosetta comet probe enters hibernation in deep space, 8. Juni 2011.
8. ↑ DLR: Rosetta in Zahlen - Technische Daten und Missionsverlauf, 17. Januar 2014.
9. ↑ MPS: OSIRIS: Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System, .
10. ↑ Daniel Schiller: Orbitsimulation um unsymmetrische rotierende Objekte unter Berücksichtigung verschiedener Störeinflüsse. Dipl.-Arbeit. Universität der Bundeswehr, Institut für Raumfahrttechnik, München 2002.
11. ↑ Thorsten Dambeck: Unbekanntes Flugobjekt verfolgt Raumsonde Rosetta. In: Spiegel Online. 15. November 2007, abgerufen am 31. Juli 2010. 

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• Asteroiden- und Kometensonde
• Raumfahrtmission 2004
• ESA

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