Mission zum innersten Planeten

Europas Merkur-Orbiter MPO (BepiColombo)
14 März 2006

BepiColombo, die 2013 startende ESA-Mission zum sonnennächsten Planeten, ist nicht nur das erste europäisch-japanische Projekt, erstmals werden zwei Raumsonden gleichzeitig zum Merkur fliegen. Unter deutscher und österreichischer Federführung entwickeln Wissenschaftler derzeit die Instrumente zur Erkundung seines Magnetfelds.

Wer sich mit der Erforschung unseres Sonnensystems beschäftigt, muss in langen Zeiträumen denken. Das gilt auch für das ESA-Projekt BepiColombo zur Erforschung des innersten Planeten.
Die nach dem italienischen Raumfahrtpionier Giuseppe Colombo benannte Mission soll 2013 mit einer Trägerrakete vom Typ Sojus-Fregat vom europäischen Raumflughafen Kourou in Französisch-Guyana starten. An Bord befinden sich zwei Raumsonden: der Mercury Planetary Orbiter (MPO) der ESA sowie der Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) der Japanischen Raumfahrtagentur (JAXA).

Mathematikprofessor als Namenspatron

Fast alles, was heute über den Merkur bekannt ist, haben wir im Grunde Giuseppe „Bepi“ Colombo zu verdanken, dem 1984 verstorbenen italienischen Mathematiker und Namensgeber des Sondenduos. Denn erst die Überlegungen und Berechnungen des Mathematik-Professors aus Padua ermöglichen den Flug einer Raumsonde dorthin. Hat BepiColombo nach sechsjährigem Flug den Götterboten 2019 schließlich erreicht, schwenken die Raumsonden in unterschiedliche polare Orbits ein: der MPO-Orbiter wird den Merkur in 400 bis 1500 Kilometern Höhe, der MMO-Orbiter in 400 bis 12 000 Kilometern Höhe umkreisen.

Im gemischten Doppel untersuchen dann MPO und MMO mindestens ein Jahr lang Oberfläche, innere Struktur und planetares Magnetfeld des bislang kaum erforschten Himmelskörpers. Auch die Wechselbeziehungen zwischen dem Planeten selbst und seiner Umgebung sollen die zwei künstlichen Merkurtrabanten genauestens unter die Lupe nehmen.

Die Flugbahnen sind so abgestimmt, dass sich die beiden Orbiter regelmäßig auf Höhe des planetennächsten Punktes begegnen. Dabei sendet die Magnetosphärensonde MMO ihre Daten an den planetaren Fernerkundungsorbiter der ESA, der diese dann zur Erde funkt.

Halb Glutofen, halb Frosthölle

Der Merkur. Bildermosaik aus Aufnahmen von Mariner 10

Als 1974/75 die NASA-Sonde Mariner 10 am Merkur vorbei flog, lieferte sie die bis heute einzigen Direktaufnahmen und Daten. Sie zeigen einen zerklüfteten Planeten, der mit seinen vielen Kratern äußerlich stark dem Erdmond gleicht. Auch der sonnenächste Planet ist eine Welt der Extreme: Auf der Tagseite ein Glutofen mit Temperatur über 420° C, auf der Nachtseite eine Frosthölle mit Temperaturen um die 180° C unter Null. Wie der namensgebende Götterbote hat es auch der Merkur immer eilig: Ein Sonnenumlauf, also ein Merkurjahr, dauert nur etwa 88 Erdentage. Der Merkur weist eine im Verhältnis zu seiner Größe ungewöhnlich hohe Dichte auf. Und - wie Mariner 10 überraschenderweise feststellte - ein recht starkes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld soll von BepiColombo genauestens untersucht werden.

Nach einem komplizierten internationalen Auswahlverfahren entschied nun die ESA, dass ein Team unter der Leitung von Prof. Dr. Karl-Heinz Glaßmeier und Dr. Uli Auster (Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der TU Braunschweig) gemeinsam mit Experten des Instituts für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz (IWF), des Imperial College in London und des Institute of Space and Astronautical Science in Tokio das MPO-Magnetometerexperiment entwickeln, bauen und betreiben soll. Die Österreicher sind außerdem Konsortialführer für das an Bord des japanischen Magnetosphären-Orbiters befindliche zweite Magnetometer.

Erfolgreiche Magnetometer-Troika

„Mit dem IWF arbeiten wir bei der Magnetometerentwicklung schon jahrelang eng zusammen“, berichtet Karl-Heinz Glaßmeier. „Auch persönlich stimmt die Chemie. Unsere Ingenieure verstehen sich sehr gut, das macht die Arbeit leicht. Zwischen uns und den Grazern sind die Wege extrem kurz. Und auch mit dem Imperial College in London arbeiten wir seit fast 20 Jahren erfolgreich zusammen“.

Die Troika aus TU Braunschweig (TUBS), IWF und Imperial College hat schon zahlreiche ESA-Missionen mit Magnetometern ausgestattet, beispielsweise die Kometenmission Rosetta (Leitung: TUBS), die Planetensonde Venus Express (Leitung: IWF), das Satellitenquartett Cluster zur Beobachtung der Erdmagnetosphäre (Leitung: Imperial College) sowie die NASA/ESA-Saturnmission Cassini/Huygens (Leitung: Imperial College). Das dabei gesammelte Know-how fließt nun in die Entwicklung, den Bau und den Betrieb der Magnetometer ein, mit denen BepiColombo Magnetfeld und Magnetosphäre des Merkur untersuchen soll.

Magnetfeld als Informationslieferant

Der japanische Merkur-Orbiter MMO (BepiColombo MMO)

„Mit dem Magnetometer an Bord des europäischen MPO-Orbiters wollen wir das Magnetfeld des Merkur genauestens vermessen“, erläutert Karl-Heinz Glaßmeier aus Braunschweig. „Besonders interessiert uns dabei die räumliche Struktur des Feldes.“

Weist ein Planet ein relativ starkes Magnetfeld auf, so kann man davon ausgehen, dass er einen flüssigen Kern hat, der elektrisch leitfähig ist, also aus Eisenverbindungen besteht. Vermutlich steigt flüssiges Metall aus dem Innersten in äußere Kernregionen auf. „Durch diese Strömungen in der Kernmaterie – so genannte Konvektionsbewegungen – wird ein Magnetfeld erzeugt. Das funktioniert im Prinzip ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo. Wir sprechen deshalb auch vom Dynamoeffekt“, so Glaßmeier. „Aus der messbaren räumlichen Strukturierung des Feldes können wir schließen, wie es im Inneren des Planeten höchstwahrscheinlich aussieht.“
Die Gestalt des Magnetfeldes liefert also nicht nur Informationen über dessen Ursprung, sondern auch über die innere Beschaffenheit des Merkur. Da beide Sonden ein Magnometer an Bord haben werden, profitieren die Wissenschaftler zudem von vergleichbaren Daten.

Bis zum flugfähigen Instrument ist es aber noch ein weiter Weg. Trotz umfassender Erfahrung durch zahlreiche ESA-Missionen bedeutet der Bau eines Magnetometers für die Wissenschaftler immer wieder eine Herausforderung. „Jeder Satellit ist eben anders“, sinniert Glaßmeier. „Und speziell die Merkurmission ist wegen der extremen Temperaturen in Sonnennähe äußerst anspruchsvoll.“

Ansprechpartner
Prof. Dr. Karl-Heinz Glaßmeier
Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der
TU Braunschweig
Tel.: 0531/391-5214
E-Mail: kh.glassmeier @tu-braunschweig.de

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