Landung auf dem Doppelkometen - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik

Landung auf dem Doppelkometen

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Philae auf der Oberfläche von „Chury". Copyright ESA/ATG medialab
Erstmals soll eine Sonde zur Oberfläche eines Kometen vordringen – ein Meilenstein in der Raumfahrt. Was erwartet den europäischen Roboter Philae dort?

Wenn Raumsonden auf Monden und Planeten landen, erinnert das an Seefahrer früherer Jahrhunderte, die an Stränden fremder Länder den Landgang wagten. Im November steht nun eine ganz besondere Pioniertat bevor: Erstmals in der Geschichte der Raumfahrt soll eine Sonde auf einem Kometen aufsetzten, nämlich die europä- ische Landefähre „Philae“, benannt nach einer Insel im Nil. Zusammen mit dem Rosetta-Orbiter ist der 98 Kilogramm schwere Lander mit zehn wissenschaftlichen Instrumenten an Bord ein Jahrzehnt lang dem Zielkometen 67P/Churyumov-Gerasimenko entgegengeflogen.

Rosettas Kamera-Augen haben seit dem Sommer fieberhaft den etwa vier Kilometer großen Kometenkern nach einem geeigneten Landeplatz abgesucht. Zum Redaktionsschluss war noch keine entsprechende Stelle festgelegt. Ob sich zur akribischen Vorbereitung auch das nötige Glück gesellt, wird man frühestens am 11. November wissen, dem geplanten Landetermin. Bereits heute ist klar: Philaes Mission wird ein Flug ins Ungewisse.

Denn Kometen geben den Astronomen noch immer Rätsel auf. Daran haben auch ein halbes Dutzend Raumsonden nicht viel geändert. 2005 hatte eine Sonde erstmals direkten Kontakt mit dem Kern eines Kometen: Deep Impact besuchte Tempel 1. Bei diesem Experiment schossen die NASA-Forscher einen knapp 400 Kilogramm schweren Einschlagskörper von Deep Impact ab, der sich mit 37 000 Kilometern pro Stunde in den kartoffelförmigen, rund sechs Kilometer großen Kometenkern rammte (siehe bild der wissenschaft 12/2007, „Das neue Bild der Kometen“). Je nach der Härte des oberen Kernmaterials erwarteten die Wissenschaftler einen Krater zwischen 60 und 240 Meter Durchmesser.

Doch die Wunde des Kometen Tempel blieb verborgen, weil unerwartet viel Staub aufgewirbelt wurde. Die Wolke versperrte den Blick der Kameras auf den frischen Krater. Hatte das Geschoss eine Stelle getroffen, die meterdick mit Staub bedeckt war? Der Kontrollbesuch einer anderen US-Sonde sechs Jahre später brachte ebenfalls nur undeutliche Bilder der Einschlagsstelle (siehe bild der wissenschaft 5/2011, „Rendezvous am Valentinstag“). Pech für Philae, denn die Gestalt des Kraters hätte Aufschluss über die Stabilität der Oberfläche eines Kometenkerns geben können. So ist sie die große Unbekannte bei der Lande-Mission der Europäischen Raumfahrtagentur ESA im November.

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Um sich auf das gewagte Manöver vorzubereiten, sind deshalb Analysen auf der Erde nötig. Und so experimentiert der Physiker Jürgen Blum in seinem Labor an der Technischen Universität Braunschweig mit „Analog-Materialien“. So nennen Experten künstliche Stoffe, die helfen sollen, die Bedingungen auf der Oberfläche eines Kometen aufzuklären. Die Analog-Materialien werden aus feinsten Glaspartikeln mit Durchmessern um 0,001 Millimeter hergestellt, die man im Labor zu millimetergroßen Strukturen verklumpen lässt. Sie fügen sich in einer Experimentierröhre zu einer lockeren Schüttung zusammen, die ähnliche mechanische Eigenschaften wie Kometenmaterie haben soll. Dieser „Kometenstoff“ wird dann weiter untersucht. Entscheidend für den Landeerfolg wird sein: Wie stabil ist die Oberfläche? Wie tief ist die oberste Staubschicht? Und wie weit wird Philae darin voraussichtlich einsinken?

In der Juni-Ausgabe des Fachmagazins Icarus veröffentlichten Blum und seine Kollegen die aktuellen Ergebnisse. Diese sprechen dafür, dass sich Kometen einst im solaren Urnebel formiert haben, gleichsam als Vorstufen der großen Planeten. „Sie bildeten sich dort, wo sich besonders viel Staub und Eis angesammelt hatte“, meint Blum. „Und sie kollabierten schließlich zu den eishaltigen Himmelskörpern, die wir heute als Kometen kennen.“

Versinkt der Roboter im Staub?

Was bedeutet dieses Szenario für die Philae-Landung? Wie wird die Oberfläche aussehen, auf der das dreibeinige Landegerät niedergeht? „Genau wissen wir das nicht“, räumt Blum ein. „Aber unsere Experimente lassen erwarten, dass die oberste Staubschicht nur wenige Zentimeter ausmacht.“ Das Eis, das in dieser Schicht steckte, ist weitgehend ins Weltall verschwunden, vermutet er. Ähnlich tief werden Philaes Landebeine einsinken, erwartet der Forscher.

Die Oberfläche vergleicht Blum mit einer Anschüttung millimeterfeiner Styroporkügelchen. Unter der dünnen Oberflächenschicht sollen sich Eis und Staub mischen, aus denen sich der Himmelskörper einst gebildet hat. Wird Philaes Bohrer dort eindringen können? „Kein Problem“, meint Blum, „den Widerstand des Bodens wird er leicht überwinden.“ Und wie stark werden dem Landegerät Gase von aktiven Stellen der Kometen-Oberfläche entgegen blasen? In einem Beitrag zum Internationalen Astronautischen Kongress 2012 in Neapel quantifizierte ein deutsches Forscherteam, zu dem auch Blum gehört, die Gasströme. Klar ist, dass sie nah an der Sonne am stärksten sind – dort enthalten sie bis zu 300 Kilogramm Wasserdampf pro Sekunde. Der Ausstoß ist durch vielfältige Beobachtungen recht genau bestimmt. Doch in größerer Entfernung von der Sonne ist die Unsicherheit gewaltig – und eben dort soll die Landung stattfinden. Die Experten schätzen die Wasserdampfmenge, die der Komet 67P jede Sekunde ausstößt, auf 300 bis 9000 Gramm bei einem Sonnenabstand von 3,0 AE. (AE steht für „Astronomische Einheit“ und entspricht der mittleren Distanz von Erde und Sonne: 149,6 Millionen Kilometer.)

Allerdings: Kometen sind unberechenbar, und 67P ist da keine Ausnahme. Schon im vergangenen April meldete die Bordkamera, dass er aktiv geworden sei. Eine kleine Koma – eine Wolke aus Gas und Staub – hatte den Kern eingehüllt. Wenige Wochen später schlief die Aktivität überraschend wieder ein, obwohl 67P sich weiter der Sonne genähert hatte.

Im Juli, als die Bordkamera den Kometen immer schärfer ablichtete, wurde dann klar, dass die ESA sich einen besonders bizarren Brocken für die Landung ausgesucht hatte: einen „contact binary“, einen Körper aus zwei Teilen, die aneinander haften. Das war für viele Kometenforscher eine faustdicke Überraschung (siehe Kasten unten: „Doppelkörper im Visier“).

Doch Vicente Companys von der Kontrollwarte der ESA in Darmstadt bleibt gelassen. Er rechnet nicht mit unlösbaren Problemen, die aus der seltsamen Form des Kerns resultieren. Der Mathematiker arbeitet in der Abteilung für Flugdynamik. Dort werden die Analysen erstellt, damit der Rosetta-Orbiter seinen Lander im gewünschten Zielgebiet absetzen kann. Die Abtrennung vom Orbiter ist dafür das entscheidende Manöver, denn der Landeplatz kann praktisch nur zum Zeitpunkt des Abkoppelns beeinflusst werden. In diesem Moment muss vieles stimmen: Geschwindigkeit, Flugbahn und Ausrichtung der Rosetta-Sonde, außerdem das Tempo, mit der Philae weggestoßen wird – all das beeinflusst die Flugbahn und damit den Ort des Bodenkontakts.

„Das Gravitationsfeld des Kerns dürfte inhomogener sein, als es bei einem regelmäßigeren, also eher kugelförmigen Körper wäre“ , erwartet Companys. Doch für die Landung dürfte das keine große Rolle spielen. Zudem kann man sich im Vorfeld darauf einstellen: „ Wir verfolgen präzise die Bahn des Rosetta-Orbiters, wenn er sich dem Kometen nähert. Daraus können wir das Schwerefeld des Kometen ermitteln.“ Falls der Komet aus unterschiedlich dichten Teilen besteht – wie man es kürzlich beim Planetoiden Itokawa feststellte –, würde das früh genug vor der Landung auffallen.

Dann schlägt auch die große Stunde der Kamera OSIRIS (Optical, Spectro- scopic and Infrared Remote Imaging System) vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göt-tingen. OSIRIS sind sozusagen die Augen von Rosetta. Seit der Ankunft beim Kometen am 6. August schauen sie aus nur 100 Kilometern Abstand auf die bizarren Landschaften dort. Später sind noch stärkere Annäherungen geplant – bis auf zehn Kilometer.

Die Stunde von OSIRIS

Schon jetzt hat OSIRIS eine erstaunliche Vielfalt erspäht: „ Wir sehen bis 100 Meter tiefe Steilhänge und Brocken von den Ausmaßen ganzer Gebäude“, schwärmt MPS-Forscher Holger Sierks. Daneben gibt es auch ausgedehnte Ebenen, die geradezu glatt wirken. „Ob sie das tatsächlich sind, können wir zurzeit aber noch nicht sagen“, schränkt der Chefwissenschaftler der Bordkamera ein.

Besonders markant ist die schmale Verbindungsstelle, der „Hals“ zwischen den beiden Teilen des Kerns. Dort klafft ein rund 1000 Meter tiefer Abgrund. OSIRIS hat hier „Jets“ entdeckt, also aktive Stellen, an denen Gas und Staub aus dem Kern in das Weltall schießen. Strukturen, die eindeutig durch Einschläge von Meteoriten entstanden sind, wurden hingegen kaum beobachtet. Vermutlich haben Kometen eine stark poröse Oberfläche, auf der sich Einschlagskrater schnell wieder verfüllen.

Bei der Suche nach einem Landeplatz ist Holger Sierks optimistisch: Zwar wird Philaes Landung nicht einfach sein, aber es gibt wohl genügend große und ebene Zielgebiete auf dem Kometenkern. Sierks Kollege Horst Uwe Keller sieht dem Termin im November dagegen recht skeptischer entgegen. Der Altmeister der europäischen Kometenforschung, der schon 1986 dem Halley’schen Kometen mit der Bordkamera der Giotto-Sonde nachstellte, blickt besorgt auf die aktuellen Fotos von 67P. „Die Oberfläche des Kern ist sehr rau und wahrscheinlich stark geprägt von den Ausgasungsprozessen.“ Als Philae entwickelt wurde, wusste man kaum etwas darüber, wie Kometen beschaffen sind. „Die Landung ist ein ganz großes Risiko“, meint Keller. Das Manöver sei auch deshalb riskant, weil unvermeidliche Ungenauigkeiten die Landestelle zu einem relativ großen Gebiet von etwa einem Quadratkilometer aufweiten.

Riskante Landgänge

Ob Philae eine geeignete Stelle trifft oder in ein Schlucht stürzt, haben die Experten nicht im Griff. Dass solche Manöver ein diffiziler und riskanter Vorgang sind, haben nach den Pionierleistungen sowjetischer und amerikanischer Raumfahrtexperten auch europäische Wissenschaftler und Ingenieure erfahren müssen.

Doch es gab auch große Erfolge. Zum Beispiel am 13. Januar 2005: In der 3142- fachen Distanz des Erdmonds setzte die Huygens-Sonde weich auf dem Boden von Saturns Trabanten Titan auf. Das diskusförmige Landegerät war das erste: Nie zuvor war ein Roboter so weit entfernt auf einem Himmelskörper niedergegangen. Hunderte Vertreter internationaler Medien sowie Prominenz aus Politik und Industrie verfolgten in der Darmstädter Kontrollwarte der ESA das Schauspiel. Die Forscher und Ingenieure sonnten sich in ihrem Erfolg.

Doch Licht und Schatten liegen eng beieinander: Nicht einmal 13 Monate zuvor, am ersten Weihnachtstag 2003, hatte die ESA mit ihrer Sonde Beagle 2 versucht, zur Mars-Oberfläche vorzustoßen – vergeblich. Außer einem Abschiedsfoto, das Beagles Mutterschiff von dem Lander schoss, blieb nichts von dem ehrgeizigen Experiment übrig.

Nach der Abtrennung brach jede Verbindung zu ihm ab. Weil der Funkkontakt während des kritischen Landemanövers fehlte, blieb rätselhaft, was passiert war. Die verzweifelte Suche war vergeblich, Beagle gilt als verschollen. Später stellte sich heraus, dass das Projekt stark unterfinanziert war und man wichtige Tests eingespart hatte.

Obwohl Landungen der NASA auf dem Roten Planeten schon oft erfolgreich waren, sind auch die Amerikaner nicht immun gegen Misserfolge. So scheiterte 1999 der Polar Lander. „Mars ist ein Planet mit vergleichsweise dünner Gashülle, die eine Menge aerothermodynamische Herausforderungen für ein Landesystem birgt, aber beim Landen kaum hilft“, sagt Lars Witte vom Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Die irdische Lufthülle ist so dicht, dass man beim Landen bereits in rund 20 Kilometer Höhe die Schallgeschwindigkeit unterschreitet. Auf dem Mars geschieht dies erst wenige Kilometer über der Oberfläche.“

Übungen im Sandkasten

Weil die Mars-Atmosphäre viel dünner ist, bleibt nur wenig Zeit für das Abwerfen der aerodynamischen Verkleidungen und das Ausfahren der Landebeine. „Mars-Landungen sind die Königsdisziplin in der Landetechnik“, meint Witte. Trotzdem gelangten bereits in den 1970er-Jahren Raumsonden sicher zur Mars-Oberfläche (siehe Kasten oben „Meilensteine durch Raumfahrt-Roboter“).

Die Landefähre Philae wurde vor dem Start eingehend geprüft. Auch Witte und seine Kollegen haben ihr auf den Zahn gefühlt. Im Bremer DLR-Institut für Raumfahrtsysteme wurde am LAMA-Teststand („Lande- und Mobilitätstestanlage“) die riskante Landung an einem technischen Zwilling von Philae simuliert. Herzstück von LAMA ist ein moderner Industrieroboter, der seinen Arm über einen Sandkasten streckt. Das Testprinzip ist simpel: Der Roboterarm lässt den Lander einfach in den Sand fallen. Dabei wird per Computer gesteuert, mit welcher Last er am Boden aufsetzt.

Bei den Tests wurde die irdische Schwerkraft kompensiert, das sehr geringe Gravitationsfeld des Kometenkerns also für die Landesituation realistisch nachgestellt – ebenso eventuelle Probleme: „Das Landegerät soll hüpfen, rutschen und kippen können“ , fordert Witte. Natürlich nur im DLR-Sandkasten – bei einer echten Landung soll gerade dies vermieden werden. „Als der Philae-Lander konstruiert wurde, gab es unser Institut noch nicht“ , sagt Witte. Zwar wurde das Landesystem auch damals getestet, doch die Bremer LAMA-Tests sind weit realistischer und können daher auch den diffizilen Landeprozess unterstützen (siehe Kasten links: „Im Schlendertempo zum Kometen“).

Mit ihrer Testanlage konnten die Bremer DLR-Forscher die Einsatzgrenzen des Landers präzisieren. Dabei geht es um die Risikobewertung für mögliche Landeplätze. „Wichtige Kriterien sind die relative Lage zwischen Lander und Oberfläche, also grob gesprochen die Geländeneigung und die Geschwindigkeitskomponenten bei der Landung“, erläutert Witte. „Bestimmte potenzielle Landeplätze erweisen sich als vorteilhaft, andere werden als zu gefährlich verworfen.“ In die Risikoanalysen gehen viele weitere Randbedingungen ein, doch die LAMA-Resultate sind ein wichtiger Baustein im Puzzle.

Auch ein sechsrädriger Rover, ähnlich dem europäischen ExoMars, hat sich hier im sandigen Gelände versucht. Während er durch die Grube rollte, wurde er von dem Roboterarm unterstützt und hatte so effektiv nur ein Drittel seines normalen Gewichts – wie auf dem Mars. Dabei prüften die DLR-Forscher seine Bodenhaftung. Der echte Einsatz von ExoMars steht allerdings frühestens in fünf Jahren bevor. Ob aus dem Projekt jemals Realität wird, könnte auch vom Gelingen der Kometenlandung im November abhängen.

„Wahrscheinlich ist es für die ESA die schwierigste Landung, die sie bislang unternommen hat, denn über das Terrain auf dem Kometen ist wenig bekannt“, meint Harald Krüger vom Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Philaes Staubdetektor wird wohl schon beim Abstieg Partikel von der Oberfläche auffangen – quasi ein erster Vorgeschmack auf die Untersuchungen am Boden. „Die ESA hat alles Denkbare unternommen, um die Mission zu einem Erfolg zu machen“, betont Witte.

Ein hüpfender Würfel

Und die Ingenieure haben, egal wie es ausgeht, schon heute viel daraus gelernt. Denn Philae ist nicht das Ende der Entwicklung. Selbst bei einem Misserfolg wird es mit einem jüngeren Bruder Philaes weitergehen: Die japanische Hayabusa-2-Sonde wird schon im Dezember zum Planetoiden (162173) 1999 JU3 starten. An Bord ist MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout) – ein zehn Kilogramm leichter würfelförmiger Roboter, der vom Boden des erdnahen Kleinplaneten Bilder und Daten funken soll. Der Mini-Roboter stammt aus dem Bremer DLR-Institut. Im Sommer 2019 soll er bis zu 70 Meter weit über die Oberfläche des Kleinplaneten hüpfen. Hoffentlich werden es Freudensprünge über den Erfolg seines großen Bruders sein. •

von Thorsten Dambeck

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