Späherduo an Erde: Wir haben ein Problem

Kontrollraum im ESOC

Dass lange Flugzeiten durchaus von Vorteil sein können, belegt ein unvorhergesehenes Problem. Bei einem Systemtest im Februar 2000 entdeckten Experten des Europäischen Kontrollzentrums ESOC in Darmstadt die Möglichkeit gewaltiger Kommunikationsprobleme zwischen dem Späherduo. Cassini, die als Relaisstation für die Übertragung der Huygens-Daten zur Erde fungiert, könnte in der entscheidenden Abstiegsphase von Huygens zum Saturnmond Titan nichts empfangen. Beide würden – im wahrsten Sinne des Wortes – aneinander vorbei reden. Das hätte den Totalverlust der Daten von der europäischen Landesonde zur Folge. Ein weiterer Test im Sommer 2000 bestätigte diese Hiobsbotschaft.

Die Huygens-Mission war somit generell in Frage gestellt. Was war geschehen? Sowohl bei der Entwicklung als auch beim Bau sowie dem Test der beiden Raumsonden wurde übersehen, dass im Kommunikationssystem zwischen Sender und Empfänger ein Dopplereffekt entsteht und damit eine Frequenzänderung auftritt. Jener Effekt also, den man beispielsweise bei einem schnellen Fahrzeug beobachten kann: Solange sich Krad oder Rennauto dem Beobachter nähern, ist ihr Ton höher, wenn sie sich entfernen, wird der Ton tiefer. Mit anderen Worten: Nähern sich Beobachter und Quelle einander, so erhöht sich die Frequenz, im umgekehrten Fall verringert sich die Frequenz. Wie hoch diese Frequenzänderung ist, hängt ausschließlich von der relativen Geschwindigkeit zwischen Quelle und Beobachter ab.

Zurück zu den beiden Raumsonden. Die Flugkontrolleure ermittelten eine nicht unbedeutende Frequenzänderung. Cassinis Empfänger hätte keine Daten von Huygens registrieren können, weil die verschobene Frequenz außerhalb seiner Bandbreite lag. Mehrere Monate suchte eine einberufene Task-Force von ESA- und NASA-Experten nach einem Ausweg aus dem Dilemma.

Ein eleganter Hat-Trick

Die Lösung war einfach und genial zugleich. Wenn man die Relativgeschwindigkeit zwischen Cassini und Huygens verringert, kann man zugleich die Doppler-Verschiebung verkleinern. Die Bahnmechaniker waren nun gefordert. Sie bastelten eine neue Flugroute, die den geforderten Parametern entspricht.

Auf dem ersten Blick verschiebt sich alles um sieben Wochen nach hinten. Das Tandem würde sich dann nicht am 6. November 2004, sondern sieben Wochen später, am 25. Dezember 2004, voneinander trennen. Die ursprünglich für den 27. November 2004 vorgesehene Landung auf dem Saturnmond Titan würde sich auf den 14. Januar 2005 verschieben. Aber was sind schon sieben Wochen bei einer Flugzeit von über sieben Jahren?

Auf dem zweiten Blick lassen sich doch schon gravierende Änderungen feststellen, die jedoch insgesamt positiv zu werten sind. Nach Erreichen des Saturns wird Cassini in den ersten Monaten eine Extrarunde um den Gasplaneten drehen. Durch eine stärkere Abbremsung beim Eintreffen ist diese Umlaufperiode genau 32 Tage kürzer, als die ursprünglich geplante Bahn.

Die neue Bahn bietet zudem eine Reihe positiver Nebeneffekte: Es sind nunmehr relativ nahe Vorbeiflüge an den Saturnmonden Dione (14.12.2004), Iapetus (31.12.2004) und Enceladus (17.2.2005) möglich. Statt zwei gezielter naher Vorbeiflüge an Titan – inklusive Landung – wird es nunmehr drei geben. Damit können die Landestelle auf Titan sowie die Windverhältnisse in unmittelbarer Umgebung bereits zuvor zweimal detailliert erkundet werden.

Der erste Vorbeiflug soll schon am 26. Oktober 2004 in nur 1200 Kilometer Entfernung stattfinden, gefolgt vom zweiten gezielten Vorbeiflug am 13. Dezember 2004 in – vermutlich – 2210 Kilometer Entfernung. Damit kann die entscheidende dritte Begegnung am 14. Januar 2005 in gewünscht neuer großzügiger Entfernung stattfinden. Statt der früher geplanten 1200 Kilometer werden beide Raumfahrzeuge dann 60 000 Kilometer voneinander entfernt sein. Dies würde die Doppler-Verschiebung ausreichend verringern.
Nachteil der neuen Flugbahn war ein höherer Treibstoffverbrauch beim Einschuss in die Saturnumlaufbahn.

Cassini und Huygens reden wieder miteinander

Das ESOC in Darmstadt

Um eine störungsfreie Datenübertragung sicherzustellen, beschlossen die Teams von ESA und NASA, das Kommunikationssystem in einem komplexen Verfahren im November 2001 zu testen. Über die Antenne der NASA-Bodenstation im kalifornischen Goldstone wurde die Huygens-Sonde angefunkt. Als Relaisstation diente dabei der Cassini-Orbiter.
Die Funksignale simulierten den Strom von Messdaten, den die Sonde übermitteln wird, wenn sie im Januar 2005 am Fallschirm die Atmosphäre des Titans durchquert. Über die Funkverbindung sollen die Bilder und Messdaten von dem rätselhaften, nebelverhangenen Saturnmond übertragen werden. Der ständige Funkkontakt während des Abstiegs stellt daher den Schlüssel zum wissenschaftlichen Erfolg der Huygens-Mission dar. Es dürfte nicht einfach werden, eine störungsfreie Übertragung zu gewährleisten. Man muss mit starken Turbulenzen in der Atmosphäre des Titans rechnen, die die Sonde während des zweieinhalbstündigen Abstiegs zur Oberfläche mehrere hundert Kilometer vom vorbestimmten Kurs abbringen könnten. Die Funksignale, die den Cassini-Orbiter erreichen, können daher hinsichtlich Stärke und Frequenz starken Schwankungen unterliegen.

„Die Tests dauerten fünf Tage – für uns hier in Darmstadt waren es genau genommen fünf Nächte“ erklärte Claudio Sollazzo, Operations- Manager der Huygens-Mission am Europäischen Kontrollzentrum ESOC in Darmstadt. „Im Test wurden ein nominelles Szenario der Mission sowie eine Reihe von Abweichungen durchgespielt“, so Claudio Sollazzo. „Wir haben all unsere Ziele erreicht. Auch die Huygens-Flugkontrolleure haben von der Testreihe profitiert“, fügte er hinzu. „Sie konnten den Test als Probelauf zur Vorbereitung der eigentlichen Mission in drei Jahren nutzen.“

Zufrieden mit dem Ergebnis zeigte sich auch der für das Huygens-Projekt zuständige ESA-Wissenschaftler Jean-Pierre Lebreton: „Wie wir im Test belegen konnten, werden wir selbst unter ungünstigsten Bedingungen und bei erheblicher Abweichung von den nominellen Parametern in der Lage sein, via Cassini alle Daten zu empfangen, die Huygens während des Sinkfluges und nach geglückter Landung mindestens 15 Minuten lang von der Oberfläche Titans überträgt“.

Auf ein positives Echo stießen die Ergebnisse des Testdurchlaufs auch bei den Mitarbeitern des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA im kalifornischen Pasadena. „Der gesamte Test verlief reibungslos und äußerst zufrieden stellend. Wie es aussieht, liegen die Ergebnisse innerhalb der Bandbreite, auf die wir bei der Arbeit zur Behebung der Schwierigkeiten gesetzt haben“, erklärte Julie Webster, Cassini Spacecraft Operations Office Managerin am JPL in Pasadena, die für die Kommunikation und die Zusammenarbeit zwischen dem JPL-Team und dem Huygens-Team der ESA verantwortlich ist.

Nach Abschluss der umfassenden fünftägigen Testreihe sind Ingenieure und Wissenschaftler diesseits und jenseits des Atlantiks zuversichtlich, dass Huygens seine abenteuerliche Mission erfüllen kann. Verläuft alles nach Plan, wird Huygens am 14. Januar 2005 Europas Meisterstück in der Planetensondierung vollbringen und, an einem Fallschirm hängend, auf dem geheimnisvollen Saturnmond Titan landen.

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