Lucy, eine Jupitertrojaner-Weltraummission

Die US-amerikanische Raumsonde Lucy der NASA wurde im vergangenem Monat Oktober am 16. von Cape Canaveral in Florida aus für eine Zwölfjahresmission gestartet. Ihr Ziel sind sechs verschiedene Asteroiden, fünf davon Jupitertrojaner. Die Raumsonde selbst erinnert dabei eher an eine Teleskopsammlung.

Die US-amerikanische Raumsonde Lucy der NASA wurde im vergangenem Monat Oktober am 16. von Cape Canaveral in Florida aus für eine Zwölfjahresmission gestartet. Ihr Ziel sind sechs verschiedene Asteroiden, fünf davon Jupitertrojaner. Die Raumsonde selbst erinnert dabei eher an eine Teleskopsammlung.

Zahlen zur Mission

Wann?         Am 16. Oktober 2021, um 11:34:00,192 Uhr MESZ (CEST)
Wer?          NASA Goddard, SwRI (Southwest Research Institute)
Trägerrakete? Atlas V 401 (AV-096)
Was?          eine Erkundungsmission zu den Trojanern des Jupiters der NASA
              im Rahmen des Discovery-Programms
Ziel:         ein Asteroid des inneren Asteroidengürtels, (52246)
              Donaldjohanson, danach L4 und L5 der Jupiterumlaufbahn,
              genauer die Trojaner, (3548) Eurybates, (15094) Polymele,
              (11351) Leucus, (21900) Orus, und (617) Patroclus, wobei nur
              Patroclus ein L5-Trojaner ist
Start von:    USA, Florida, Cape Canaveral, SLC-41
Masse:        Trockenmasse: 821 kg, inklusive Treibstoff: 1 550 kg,
              komplette Rakete beim Start
Kosten:       981 Mio. US $, das sind umgerechnet 855 Mio. €
Der Raketenstart von der Erde war ein Nachtstart dieses Mal und völlig geglückt. Hier sieht man die Trägerrakete Atlas V 401 wenige Sekunden nach dem Start. Ganz oben sitzt die Raumsonde geschützt in der aerodynamischen Verkleidung, da, wo die Rakete kurz vor dem nach oben zeigenden Ende breiter wird. Bildquelle: https://blogs.nasa.gov/lucy/2021/10/16/nasa-ula-launch-lucy-mission-to-fossils-of-planet-formation/; https://blogs.nasa.gov/lucy/wp-content/uploads/sites/323/2021/10/Lucy-Launch-Photo-1802×2048.jpg

Übersicht

Lucy ist eine geplante NASA-Raumsonde im Rahmen des Discovery-Programms, die fünf (sieben mit Doppelasteroiden mitgezählt) Jupiter-Trojaner ansteuern wird, also Asteroiden, die auf der gleichen Umlaufbahn wie der Jupiter, die Sonne umrunden und entweder vor oder hinter dem Jupiter kreisen, im L4 oder im L5. Alle Zielasteroiden werden in Flybys von Lucy erforscht werden. Die Nutzlast besteht aus drei Instrumenten: einem hochauflösenden visuellen Kamerasystem, einem optischen und Nahinfrarot-Spektrometer und einem thermischen Infrarotspektrometer.

Lucy wurde nach einem Fund von fossilisierter Knochen der Spezies Australopithecus afarensis benannt, ein Vorfahre des Menschen, der vor 3,9 bis 2,9 Millionen Jahren auf der Erde verweilte. Dieser Fund brachte einen großen Einblick in die Evolution der Spezies, die dann später zu in den Menschen überführte. Von den Trojanern auf der Jupiterbahn erhofft man sich das Gleiche, nur über unser Sonnensystem.

Entwicklung und Geschichte zu Lucy

Einer der Prioritäten der NASA im Planetary Science Decadal Survey (evtl. grob übersetzt als „Zehnjährige planetarische Untersuchung“) von 2013-2022 ist die Erforschung der Jupitertrojaner. Zu denen wurden schon erdgebundene Beobachtungen getätigt, sowie Beobachtungen mit dem WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer), ein Weltrauminfrarotteleskop, welches Ende 2009 gestartet wurde.

Die Konzeptidee für Lucy als Jupitertrojaner-Weltraummission wurde am 05. November 2014 im Rahmen der Ausschreibung für die nächsten Missionen des Discovery-Programms, welche bis Februar 2015 lief, veröffentlicht. Es wurden 28 Vorschläge zu Weltraummissionen im Rahmen des Discovery-Programms vorgelegt. Die Vorschläge sollten bis Ende 2021 startbereit sein.

Am 30. September 2015 wurde Lucy als Finalist von fünf verschiedenen Finalisten ausgewählt. Diese waren DAVINCI, NEOCam, Psyche und VERITAS. Für die weitere Planung und um Konzeptstudien zu veröffentlichen, haben alle Finalisten-Vorschläge 3 Millionen US-Dollar erhalten. Am 04. Januar 2017 wurden Lucy und Psyche final ausgewählt, eine Mission, die den Asteroiden (16) aufgrund seiner offenbar existierenden Metallvorkommen erforschen soll.

Dass Lucy im Oktober 2021 mit einer Atlas V 401 Rakete starten wird, wurde am 31. Januar 2019 von der NASA angekündigt. Die Gesamtkosten für den Start wurden auf 148,3 Millionen US-Dollar geschätzt. SpaceX protestierte dagegen, dass Lucy mit einer Atlas-V-Trägerrakete ins All befördert wird, weil sie selbst ja Lucy viel günstiger ins All befördern könnten. Schon eine kurze Zeit danach zog SpaceX seinen Protest wieder zurück.

Am 28. August 2020 hat Lucy laut NASA den KDP-D (Key Decision Point-D; dt. “Hauptentscheidungspunkt-D“) mit grünem Licht erreicht. Damit konnten nun alle Instrumente an die Raumsonde angebracht werden und die Raumsonde strengen Tests unterzogen worden. Am 30. Juli 2021 wurde die Lucy an Bord einer C-17-Maschine nach Florida für Startvorbereitungen geflogen, zwei Monate später wurde Lucy dann endgültig in die aerodynamische Schutzverkleidung eingekapselt.

Und danach … am 16. Oktober 2021 gegen 09:34 UTC, das ist 11:34 MESZ/CEST, wurde die Lucy an Bord einer Atlas-V-401-Trägerrakete von Cape Canaveral aus gestartet, am ersten Tag des 23-Tages-Zeitfenster.

Die laufenden Raketentriebwerke wenige Augenblicke nach dem Start. Bildquelle: NASA/Bill Ingalls; https://images-assets.nasa.gov/image/
NHQ202110160007/NHQ202110160007~medium.jpg

Der Raketenstart verlief problemlos, die Flugbahn von Lucy wurde perfekt getroffen, sodass keine Kurskorrekturen notwendig gewesen sind, wie es eigentlich geplant wäre.
Am 19. Oktober wurde klar, dass einer der beiden Solarpanele sich nicht vollständig geöffnet hat. In den folgenden Tagen beschäftigte sich ein Anomalie-Team mit der Frage, wie Lucy weiter vorgehen soll, und ob dieser Zustand sogar so gelassen werden sollte, da es theoretisch den Betrieb der Raumsonde nicht stark beeinträchtigt. Am 27. wurde klar, dass das zweite Solarpanel-Modul nur ca. 90 Prozent der erwartenden Energie liefert. Bis zum 08. November war klar, dass zumindest alle Instrumente wie geplant funktionsfähig sind. Weitere Aktionen zu dem Solarpanel-Problem werden erst ab dem ersten Dezember durchgeführt.

Zeitplan der Mission

Unser Sonnensystem in Bewegung: Sonne in der Mitte, dann Merkur, Venus, Erde und Mars, außen der Jupiter und die zwei Ansammlungen sind die Trojaner auf beiden Seiten des Jupiters. Bildquelle: http://lucy.swri.edu/img/
trojans_nolabels.gif

Wie bekannt soll die Raumsonde Lucy in den ersten zwölf Jahren sechs Asteroiden anfliegen, vier L4-Jupitertrojaner, ein L5-Jupitertrojaner und ein Asteroid des Asteroidengürtels. Außerdem wird Lucy drei Flybys an der Erde manövrieren. Anbei noch eine Animation der Flugroute.

Hier sieht man genau die Flugbahn der Raumsonde Lucy. Bildquelle: Phoenix7777, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, via Wikimedia Commons; https://upload.wikimedia.org/
wikipedia/commons/7/7b/Animation_of_Lucy%27s_
trajectory_around_Sun.gif

In dieser Webseite kann man die Position von Lucy relativ zum inneren Sonnensystem plus Jupiter sich näher ansehen: https://whereislucy.space/

Eine Tabelle der Vorbeiflüge der Raumsonde Lucy an allen Objekten bis zum Ende der Primärmission nach März 2033. Bildquelle: selbst getan; Informationen aus der englischen Wikipedia, Small-Body Database, zweite Werte nach dem Komma aus einem PDF. Hinweis: der Durchmesser von 617 Patroclus-Menoetius ist der mittlere gemeinsame Durchmesser, Patroclus hat einen Durchmesser von 113 km und Menoetius von 104 km in Wahrheit. Link zum vollen Bild hier.
Künstlerische Vorstellung der Asteroiden bei den Jupitertrojanern basierend auf den gegebenen Daten, Größenverhältnisse und durchschnittliche Farben dürften stimmen. Bildquelle: Slide 3 aus https://www.lpi.usra.edu/sbag/meetings/jan2019/presentations/Wednesday-AM/Marchi.pdf

Nach dem Lucy 617 Patroclus besucht hat, fliegt Lucy in einen speziellen Orbit, welcher der Raumsonde erlaubt, zwischen beiden Trojanergruppen bei den Lagrangepunkten L4 und L5 hin und her zu fliegen (siehe weiter unten). Nachdem Lucy 617 Patroclus besucht hat, ist der offizielle Teil der Mission vorbei und wenn die Raumsonde bis dahin durchhält, dann wird die Mission als geglückt betrachtet.

3548 Eurybates und 617 Patroclus sind Doppelasteroiden, deren Doppel heißt Queta und Menoetius respektive.

Aufbau

Lucy am 29.09.2021 in Astrotech Space Operations Facility in Titusville. Gerade wird Lucy in die Luftschleuse gefahren. Das dunkle Dreieck stellt das eingefahrene Solarpanel dar, das kegelartige Ding an der linken Seite die Antenne und das Teil, welches rechts-oben etwas vom Körper abhängt, wird die Instrumentenplattform sein. Bildquelle: NASA/Ben Smegelsky; https://images-assets.nasa.gov/image/KSC-20210929-PH-JBS01_0039/KSC-20210929-PH-JBS01_0039~medium.jpg

Der Körper der Raumsonde Lucy ist etwa so groß wie eine Abstellkammer für Essen, oder vielleicht wie ein Kleinwagen (zwar vielleicht kein Smart, aber dennoch klein). Rechnet man die Solarpanele dazu, ist die Raumsonde gleich so groß wie ein Segelflieger oder so etwas in der Art. Sein Gewicht mit 821 kg ohne und 1 550 kg mit Treibstoff erinnert von der Masse her eher an den Perseverance-Marsrover, der am Jezero-Krater die geologische Vergangenheit des Mars studiert. Die Solarpanele sind zehneckige Scheiben auf den gegenüberliegenden Seiten der Raumsonde, ihre Spannweite beträgt ca. 7,3 Meter und ihre Leistung am sonnenfernsten Punkt ihrer Reise soll zirka 504 Watt bringen. Zusammen mit den Solarpanelen erinnert Lucy eher an InSight, welcher sich in den Marsboden für seismografische Daten gebohrt hat und Informationen über den Planetenkern vom Mars aufbringt. An der Seite der Hülle der Raumsonde befindet sich außerdem noch eine zwei Meter große Hochleistungsantenne.

Wissenschaftliche Experimente und Instrumente

Die Instrumentenplattform als Schema. Bildquelle: Ausschnitt von http://lucy.swri.edu/img/graphics/
LucyPoster_Mission_of_Discovery.pdf
Die Instrumentenplattform (IPP) als 3D-Ansicht. Bildquelle: http://lucy.swri.edu/img/LucyIPP.png

Für die Weltraummission zu den Jupitertrojanern braucht Lucy natürlich Instrumente für die wissenschaftliche Arbeit. Darunter kommen Spektrometer und Kamerasysteme unter anderem vor. Die wissenschaftlichen Experimente sitzen alle auf einer Instrumentenplattform, um alle Instrumente gleichsam ausrichten zu können. Listen wir alle Experimente mal alle auf.

  • L’Ralph:
    Bilderzeugungsgerät für das sichtbare Licht (400 bis 850 nm) inklusive Infrarotspektrometer (1 bis 3,6 µm), also eigentlich zwei verschiedene Instrumente: MVIC (Multispectral Visible Imaging Camera) und LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array).  Innerhalb der Optik ist ein Lichtzerstreuer, was das sichtbare Licht in den MVIC schickt, und das Infrarotlicht zur LEISA. L’Ralph basiert auf dem Ralph-Experiment auf der New Horizons (die Pluto-Raumsonde). Eingesetzt wird es, um die Zusammensetzungen von Wassereis und andere Eise, Silikaten, und organische Materialien auf der Oberfläche zu analysieren, das macht MVIC und LEISA mit ausgewählten Bändern (z.B. ein violettes Band für Troilit (Eisenkies)) des elektromagnetischen Spektrums, welche besonders sensitiv für ausgewählte Stoffe sind. Die Optik des gemeinsamen Instruments hat eine Öffnung von 7,5 Zentimetern und eine Brennweite von 45 Zentimetern. L’Ralph benötigt eine Leistung von 25,1 Watt, also recht wenig, so wie eine etwas dunklere Bürolampe, jedoch hat es eine Masse von 31 kg, was nicht vergleichbar mit einer Bürolampe sein dürfte. Die erstaunliche Leistung des Instruments macht es auch nötig, dass es eine Speicherkarte von 256 Gigabits (32 Gigabytes) enthält. MVIC hat eine maximale Auflösung von 6 Bogensekunden pro Pixel und LEISA 16,5 Bogensekunden pro Pixel, das sind jeweils eine 5-Pixel-Auflösung von 145 Meter und 400 Meter auf 1000 Kilometer.
  • L’LORRI:
    Das ist quasi die Hochleistungskamera an Bord der Lucy. Auch dieses Gerät stammt von dem LORRI-Äquivalent von der New Horizons ab. Das Gerät hat eine Masse von 12 kg und verbraucht nur 10,6 Watt, was ungefähr auch die Leistung vom Ladestrom eines Handys sein dürfte. Im Prinzip ist es ein sogenanntes Ritchey-Chrétien-Teleskop, genauso ein wie das Hubble-Weltraumteleskop. Die Öffnung ist 20,8 cm weit und die Brennweite (engl. focal length) liegt 262 cm weit weg. Das Instrument hat eine Pixelauflösung von 14 Metern bei 1000 Kilometern Entfernung, sodass Objekte mit 5 Pixeln (70 m) klar erkennbar sind. Das sind 14,4 Bogensekunden und 2,9 Bogensekunden bei einem Pixel. Dass die Kamera möglichst risikolos funktioniert, wurde auf ein Fokussiersystem, sowie sich bewegende Teile verzichtet, die Optik ist größtenteils aus Siliziumkarbid, um Wärme gut abzuleiten und nicht zu stark bei Temperaturdifferenzen ausdehnen.
  • L’TES:
    L’TES steht für Lucy’s Thermal Emission Spectrometer (dt.: Lucys Wärmeemissionsspektrometer), dieses Instrument stammt diesmal nicht von New Horizons ab, sondern von dem OTES-Instrument einer anderen laufenden Asteroidenmission namens OSIRIS-Rex, jedoch stammt die Elektronik von der neueren Marsmission Hope der Vereinigten Arabischen Emirate VAE ab. Und genau dafür detektiert es ferne Infrarotstrahlung, welche laut der Planck’schen Schwarzkörperstrahlung essentiell ist für die Wärmeausstrahlung bei diesen Temperaturen, die erwartet sind. L’TES beinhaltet ein Teleskop mit einem Öffnungsdurchmesser von 15,2 Zentimeter, welches das ferne Infrarot in kleine Detektoren leitet, die wiederum die Temperaturen messen. Anders als die anderen Instrumente ist dieses kein echtes Bilderzeugungsgerät, das zeigt sich auch an der viel kleineren Datenmenge, die durch das L’TES entsteht, ist also eher wie ein Thermometer, der aus der Ferne misst. Durch die Daten kann man eine Karte (eine Karte ist nicht wirklich ein Bild) vom anvisierten Asteroiden erstellen. Das L’TES verbraucht eine Leistung von 17,6 Watt, was sehr vergleichbar mit den anderen Instrumenten ist.

L’TES wird die physikalischen Eigenschaften des Regoliths durch Messung der thermischen Trägheit untersuchen. Die thermische Trägheit ist ein Maß dafür, wie langsam sich ein Objekt erwärmt oder Wärme abgibt. Kleinere Partikel haben eine geringe thermische Trägheit; so erwärmt sich beispielsweise Sand an einem Strand tagsüber schnell und kühlt nachts schnell ab. Größere Partikel haben eine hohe thermische Trägheit; im Vergleich zum Sand erwärmt sich ein Gehweg tagsüber langsam und kühlt nachts langsam ab. Durch die Messung der Temperatur zu verschiedenen Tageszeiten auf dem Asteroiden kann das Wissenschaftsteam die thermische Trägheit messen und daraus ableiten, wie viel Staub, Sand oder Gestein im Regolith vorhanden ist. L’TES könnte auch Unterschiede in der thermischen Trägheit auf einem einzelnen Asteroiden aufspüren, was mit erdgebundenen Teleskopen nicht möglich wäre.

schreibt das SwRI auf ihrer Webseite (übersetzt)
Die TTCam von Lucy hat bereits eine schöne Erstaufnahme eines ca. 11 × 9 Bogengrad großes Sichtfelds im Sternbild Fisch gemacht. Bildquelle: http://lucy.swri.edu/2021/11/16/OneMonthInSpace.html; http://lucy.swri.edu/img/t2cam_first_images.png
  • T2CAM:
    Die TTCam, oder T2Cam ist eine Navigationskamera aufgeteilt in zwei Linsen. Die Bilder, die aus der TTCam kommen, haben mit einer maximalen 5-Pixel-Auflösung von 375 Metern auf 1000 km eine ähnliche Auflösung wie die LEISA von L’Ralph, operiert jedoch im sichtbaren Spektrum von ca. 400 nm bis 800 nm und nicht im Infraroten. Es wird zur Ausrichtung der Raumsonde genutzt, und als unterstützende Einheit in der kompakten und mehrinstrumentigen Bildaufnahme der Asteroiden. Sein Sichtfeld hat eine Größe von ungefähr 10,8 × 8,1 Bogengrad (°).
  • (High Gain Antenna):
    Die Hochleistungsantenne (mithilfe der anderen Telekommunikationshardwares) bestimmt die Masse der Trojaner und Donaldjohanson anhand der Dopplerverschiebung des Funksignals. Viel mehr kann ich darüber leider auch nicht sagen.
  • (Plakette):
    Auch bei der Raumsonde Lucy wird es eine Plakette geben, auf der Goldstücke irdischer Kultur vorhanden sind (logischerweise wegen Lucy auch ein Beatles-Song). Da die Raumsonde sehr wahrscheinlich nie das Sonnensystem verlassen wird, können die Menschen die Plakette in mehreren Hundert Jahren wieder finden und als eine Art Zeitkapsel verwenden.

Weblinks:

Quellen:

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.