Huygens: Europas Lander für Titan

Gif animation Cassini-Huygens spacecraft
So sieht Cassini-Huygens im Weltraum aus

Die Landesonde Huygens ist der europäische Hauptbeitrag zur Cassini-Mission. Das an eine fliegende Untertasse oder einen chinesischen Wok erinnernde Gerät wird von der Cassini-Sonde huckepack zum Saturnsystem mitgeführt. Dort erfolgt am 25. Dezember 2004 die Abtrennung der 343 Kilogramm schweren Mondsonde. Im freien Fall rast sie dann allein dem Saturnmond Titan entgegen, um schließlich am 14. Januar 2005 in die Mondatmosphäre einzutreten.

Als Hauptauftragnehmer von Huygens wählte die ESA das französische Luft- und Raumfahrtunternehmen Aerospatiale aus, dessen Raumfahrtsparte später an Alcatel verkauft wurde und jetzt unter dem Firmennamen Alcatel Space bekannt ist. Zum Gelingen des Unternehmens tragen Firmen und Forschungsorganisationen aus ganz Europa bei. Deutschland ist über die EADS Astrium in Ottobrunn bei München beteiligt. In dem Unternehmen wurden das Subsystem der Thermalkontrolle gebaut.

Huygens besteht aus zwei Modulen, dem Entry Assembly Module (ENA) und dem Descent Module (DM). Zusätzlich befindet sich am Cassini-Orbiter das 30 Kilogramm schwere Probe Support Equipment (PSE). Zu ihm gehört ein System zur Abtrennung des Landers, ein elektrisches Verbindungssystem zur Raumsonde, das während der Reise zum Saturn die Energieversorgung und die Datenverbindung sichert, ein Empfänger für die Huygens-Daten sowie ein ultrastabiler Frequenzgeber, der Teil eines der sechs Experimente der Mondsonde ist.

Höllenritt durch die Titan-Atmosphäre

Huygens über dem Titan-Mond
Huygens schwebt am Fallschirm der Oberfläche des Titan entgegen

Das Entry Assembly Module (ENA) umschließt während des Eintritts in die Titan-Atmosphäre das Descent Module (DM). Es bestimmt auch das äußere Aussehen des Raumflugkörpers beim Anflug. ENA setzt sich aus dem wokförmigen Hitzeschutzschild mit einem Durchmesser von 2,75 Meter und einem Back Cover genannten Teil auf der Gegenseite des Hitzeschildes zusammen.

Der Schutzschild hält die enorme Reibungshitze, die beim Eintritt in die Titanatmosphäre auftritt, von der Sonde ab. Die maximale Wärmebelastung erreicht Huygens in einer Höhe von 220 bis 300 Kilometern über der Titan-Oberfläche, wenn sie noch mit der 20fachen Schallgeschwindigkeit in die Atmosphäre rast. Dabei treten an der Oberfläche des Schildes bis zu 1500 Grad Celsius auf, während im Innern des Raumflugkörpers maximal 50 Grad Celsius herrschen dürfen. Den Schutz garantiert ein spezielles Material aus Silizium-Fasern, die in ein Epoxydharz eingebettet sind.

Die Reibung während des Höllenritts bewirkt, dass die Sonde in nur zwei Minuten auf die anderthalbfache Schallgeschwindigkeit herabgebremst wird. Dann werden drei unterschiedliche Fallschirme nacheinander geöffnet, die Europas Schöpfungswerk weiter abbremsen. Der Hitze folgt nun ein Kälteschock. Huygens wird plötzlich einer extremen Kälte von minus 180 Grad Celsius ausgesetzt.

In diesem Zusammenhang kommt dem gasdicht versiegelten Thermal Subsystem eine besondere Bedeutung zu. Das aus einer Kombination von Isolier- und Heizschichten bestehende System kann für eine begrenzte Zeit die enormen Temperaturgegensätze ausgleichen, denen die wissenschaftlichen Geräte ausgesetzt sind. Es sorgt beim Eintritt in die Titan-Atmosphäre für den nötigen Wärmeschutz der Messgeräte. Und wenn die Weltraumkälte in den Lander eindringt, kommen die 35 Radioisotopenquellen zum Zug. Sie liefern die notwendige Wärme zum Betrieb der empfindlichen elektronischen Systeme.

Der erste Fallschirm, ein kleiner Pilotschirm, ist in dem Back Cover untergebracht. Dieses Teil wurde ebenfalls mit einem Hitzeschutzmaterial ausgestattet. Nachdem sich der Pilotschirm mit einem Durchmesser von 2,59 Meter geöffnet hat, zieht er das schalenförmige Back Cover von der Sonde weg. Dabei wird der Hauptfallschirm aus seinem Container gezogen. Voll entfaltet, besitzt er einen Durchmesser von 8,30 Meter. Nachdem Huygens auf 0,6 Mach abgebremst wurde, gibt ein Mechanismus den Hitzeschutzschild frei, der dann allein der Mondoberfläche entgegen fällt.

Der Hauptfallschirm wird nach etwa 15 Minuten abgetrennt, um einem kleineren, nur drei Meter großen Schirm Platz zu machen. Damit soll der Sinkflug in der Titan-Atmosphäre auf etwa zweieinhalb Stunden begrenzt werden, da die fünf Batterien an Bord von Huygens nur eine eingeschränkte Kapazität haben.

Expressforschung auf dem Titan

Das Descent Modul ist der Träger für die sechs wissenschaftlichen Instrumente und aller für den Betrieb der Landesonde notwendigen Subsysteme. Es besteht aus zwei Plattformen, einem kegelförmigen Ring und einer kuppelförmigen Abdeckung. Alle Teile wurden aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Auf einer der beiden Plattformen, der Experimentplattform, sind die wissenschaftlichen Instrumente sowie der größte Teil der Subsysteme konzentriert.

Der Huygens-Lander wird mit seinen sechs Instrumenten etwa 2,5 Stunden die Titan-Atmosphäre untersuchen, bevor er die Oberfläche des Saturnmondes erreicht hat. Als limitierende Größe der Mess-Kampagne auf der Titanoberfläche erweisen sich die fünf Batterien an Bord des Landers. Sie haben zusammen eine elektrische Kapazität von 1800 Wattstunden. Aus diesem Grund verbleiben Huygens nach der Landung am Boden noch etwa 30 Minuten für Messungen. Wenn alles bestens verläuft, könnten also insgesamt etwa drei Stunden herauskommen. Dann aber dürften die Batterien erschöpft sein.

Die Forschungsinstrumente und Bordsysteme werden mit dem Eintritt in die Titan-Atmosphäre etwa 600 Kilometer über der Oberfläche durch einen Timer an Bord geweckt. Zuerst wird die Fallschirmmechanik aktiviert. 30 Sekunden nach der erfolgreichen Abtrennung des Hitzeschildes beginnen die Forschungsgeräte mit ihrer Arbeit. Die gesamten Operationen erfolgen automatisch, gesteuert durch einen Zeitgeber, einen Radar-Höhenmesser sowie durch Beschleunigungsmessgeräte. Aufgrund der großen Entfernung zur Erde, ein gesendetes Kommando würde für die 1,3 Milliarden km weit über eine Stunde benötigen, ist ein zeitnahes Eingreifen in die Arbeit der beiden Raumflugkörper nicht möglich.

Große Bedeutung kommt den beiden Sendern zu, die die gewonnenen Daten mit einer Rate von 8 kbit/s an die Orbitersonde Cassini übertragen. Ein Sender dient als Backup-System. Er sendet mit 6 Sekunden Zeitversatz auf einer etwas anderen Frequenz denselben Datenstrom. Während des Landevorganges muss der Orbiter auf den Titan ausgerichtet sein, um mit seiner Hochleistungsantenne die Daten von Huygens empfangen zu können. Diese werden zunächst im Festkörperspeicher des Orbiters zwischengespeichert. Erst nachdem sich Cassini wieder zur Erde ausgerichtet hat, erfolgt die Übertragung zur Bodenstation.

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