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Im Herbst 2025 soll "BepiColombo" nach siebenjähriger Reise beim Merkur ankommen: Diese künstlerische Darstellung nimmt diesen Moment schon einmal vorweg.

"BepiColombo"

Eine Mission, die keinen Fehler verzeiht

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Reise zum Merkur: Bei der europäischen Weltraumorganisation Esa simulieren Mitarbeiter derzeit die Anfangsphase von "BepiColombo".

Szenarien, was alles schief gehen könnte, gibt es viele bei dieser Mission – die zu den kompliziertesten und aufwendigsten gehört, die sich die europäische Weltraumorganisation Esa in ihrer mehr als 40-jährigen Geschichte je vorgenommen hat: Voraussichtlich in der Nacht vom 19. auf den 20. Oktober mitteleuropäischer Zeit wird die Raumsonde „BepiColombo“ zum Merkur aufbrechen, wo sie nach siebenjährigem Flug im Dezember 2025 ankommen soll. Damit gehört die nach dem 1984 gestorbenen italienischen Mathematiker Giuseppe Colombo benannte Mission zu den längsten Reisen, die eine Esa-Sonde je unternommen hat.

Das Ziel ist, den noch wenig erforschten Himmelskörper von unterschiedlichen Umlaufbahnen aus zu untersuchen und dabei nicht nur Erkenntnisse über dessen Beschaffenheit und Geschichte, sondern auch über die Entstehung unseres gesamten Sonnensystems und insbesondere der erdähnlichen Planeten zu gewinnen. Zwar flogen in der Vergangenheit bereits zwei Sonden der US-Weltraumbehörde Nasa am Merkur vorbei, doch viele Geheimnisse hat der kleine, heiße Planet nahe der Sonne bislang noch nicht preisgegeben; als „merkwürdig und rätselhaft“ bezeichnet ihn Paolo Ferri, Leiter des Missionsbetriebs bei der Esa.

18 Jahre dauerten die Vorbereitungen für die Mission, bei der die japanische Raumfahrtbehörde Jaxa Partnerin der Esa ist – weitaus länger als gedacht, aber die schwierigen Manöver auf dem Weg zum Merkur und die unwirtlichen Bedingungen in seiner Nähe stellten extrem hohe Anforderungen an die Technologie an Bord der Sonde und führten so immer wieder zu Verzögerungen.

Eine Ariane 5-Rakete soll die Sonde ins All bringen

Nun aber befindet sich der vom Unternehmen Airbus gebaute Satellit bereits im europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana, von wo aus er an Bord einer Ariane 5-Rakete – dem stärksten Trägersystem der Esa – ins All geschossen werden soll. Im Esoc, dem Kontrollzentrum der europäischen Weltraumorganisation in Darmstadt, simulieren seit Mai derweil rund 40 Mitarbeiter in zwei Schichten Tag für Tag die Anfangsphase der Mission samt allen nur denkbaren Pannen – und wie sie zu beheben sind.

Schon eine Kleinigkeit, die schiefgehe, könne das gesamte Unternehmen scheitern lassen, sagt Paolo Ferri: „BepiColombo ist eine so komplizierte Mission, die verzeiht nichts.“ Gerade die ersten drei bis fünf Monate nach dem Start seien eine kritische Zeitspanne, in der die verschiedensten Probleme auftreten können, sagt Andreas Rudolph, der stellvertretende Flugdirektor bei „BepiColombo“, und findet ein anrührendes Bild: „Wenn die Sonde ins Weltall entlassen wird, ist das wie bei einem neugeborener Säugling.“ 

Von Kourou aus fliegt die Ariane 5 mit ihrer kostbaren Fracht zunächst gen Osten, um dann schon nach kurzer Zeit die Erdumlaufbahn zu verlassen. 27 Minuten nach dem Start trennt sich die Sonde von der Trägerrakete ab. „Nach drei Tagen ist sie bereits eine Million Kilometer von der Erde entfernt“, sagt Christoph Steiger, stellvertretender Leiter des Flugkontrollteams. Auf dem Boden verfolgen mehrere Weltraumantennen den Weg von „BepiColombo“ durchs All: die drei 35 Meter großen Esa-Antennen in Westaustralien, Spanien und Argentinien, sowie eine kleinere in Kenia zur Erfassung des ersten Signals nach dem Start. Was dem „Baby“ in seinen ersten Monaten alles zustoßen kann? Da sind mannigfaltige Szenarien denkbar, von schnell in den Griff zu kriegenden Misslichkeiten bis zur Katastrophe, die das vorzeitige Ende der 1,3 Milliarden Euro teuren Mission bedeuten könnte.

Eine höchst unangenehme Situation wäre es zum Beispiel, wenn die Rakete ihre Fracht nicht am vorgesehenen Ort absetzen würde, kein Signal empfangen würde und man vom Boden aus die Sonde suchen und den Kurs korrigieren müsste, sagt Christoph Steiger. Besondere Aufmerksamkeit gilt vor allem den zwei beweglichen Antennen und den großen Solarflügeln an Bord des Satelliten. Während der Startphase sind sie zusammengefaltet, erläutert Steiger, im Weltall müssen sie dann ausgefahren werden. Klappt das nicht, dann hat „BepiColombo“ ein Problem. 

Die Antennen sind notwendig, um Daten mit der Erde auszutauschen, die Solarsegel benötigt die Sonde, um auf ihrer langen Reise über die Sonnenstrahlung Energie zu generieren. „BepiColombo“ ist mit drei dieser Solarflügel ausgestattet, zwei davon haben eine Spannweite von 30 Meter – wesentlich mehr als bei einem herkömmlichen Satelliten, erläutert Andreas Rudolph. Funktioniert etwas bei den Antennen nicht richtig, dann schickt die Sonde möglicherweise keine oder nur unzureichende Signale zur Erde. Im allerschlimmsten Fall könnten äußere Einflüsse wie die starke Beschleunigung und die heftigen Vibrationen beim Start dafür sorgen, dass sich etwas lockert, verhakt und deshalb eines der Sonnensegel nicht auseinanderklappt oder der Mechanismus hinter den beweglichen Antennen nicht richtig funktioniert, sagt Andreas Rudolph.

Störungen könnten auch direkt bei der Software an Bord des Satelliten auftreten; Probleme mit der Elektronik führten etwa 2016 bei der Esa-Mission „ExoMars“ zu einem harten Aufschlag auf der Oberfläche des roten Planeten und damit zum Verlust der Landesonde „Schiaparelli“.

Im Darmstädter Kontrollzentrum trainieren die Mitarbeiter, mit allen möglichen Schwierigkeiten umzugehen und sie von der Erde aus so schnell wie möglich zu beheben, sagt Andreas Rudolph. „Rund 25 Szenarien haben wir seit Mai bereits durchgespielt.“

Nun darf man es sich nicht so vorstellen, dass die Mitarbeiter der Esa all diese Situationen mit einem Modell der Sonde nachstellen würden, möglicherweise noch in einer riesigen Halle, die als Weltraum dienen soll. Die Simulationen werden mit einem speziellen Simulator ausgeführt, der das Verhalten des Satelliten sehr präzise modelliert, erläutert Christoph Steiger. 

Für Tests mit noch höherem Realitätsgrad befindet sich in einem klimatisierten Raum auf dem Gelände des Esoc ein etwa 30 Quadratmeter großes Ingenieursmodell, auf dem wichtige Bauteile des Satelliten mit Ausnahme der Sonnenflügel und des Hitzeschilds im Verhältnis eins zu eins sowie die gleiche komplexe Elektronik wie an Bord von „BepiColombo“ montiert sind. Auf einem Tisch davor steht die Elektronik des Ionenantriebs, in zwei Kästen verbergen sich die Simulationen der Sonne und anderer Einflüsse im All. 

BepiColombo wiegt beim Start 4,1 Tonnen

„BepiColombo ist einer der komplexesten Satelliten, die für die Esa je gebaut wurden“, sagt Christoph Steiger. 6,40 Meter ist er hoch und beim Start 4,1 Tonnen schwer, bestückt mit hochsensiblen Kameras und Instrumenten, um die Oberfläche zu kartografieren, Höheninformationen zu ermitteln und die Zusammensetzung der Oberfläche zu bestimmen. Außerdem ist der Flugkörper mit einer speziellen Wärmeisolation ausgestattet, welche die enorme Hitze in der Nähe von Sonne und Merkur von „BepiColombo“ fernhalten und stattdessen in den Weltraum abstrahlen soll.

Die Sonde selbst besteht aus drei Teilen: der Transferstufe „Mercury Transfer Module“ (MTM) und zwei getrennten Stufen, die auf ihr befestigt sind. Unter dem Hitzeschild sitzt oben der „Mercury Magnetospheric Orbiter“ (MMO) der Jaxa und darunter der „Mercury Planetary Orbiter“ (MPO) der Esa. Dieser Orbiter soll in eine niedrige polare Umlaufbahn einschwenken und von dort aus die Oberfläche des Merkur kartografieren und dessen innere Zusammensetzung erforschen. Der japanische Orbiter wird die Magnetosphäre – die Region um den Planeten, die vom Magnetfeld des Merkur beeinflusst wird – und deren Wechselwirkung mit den Sonnenwinden untersuchen.

Beide Orbiter sind während des Flugs ineinander montiert und werden etwa zwei Monate vor dem Eintritt in die Merkurumlaufbahn vom Transfermodul abgetrennt. Im „Mercury Transfer Module“ sind zudem die Triebwerke angebracht, auch sie bestehen aus mehreren Komponenten und sind so komplex wie bei keiner anderen Esa-Mission zuvor: Neben 24 chemischen Triebwerken setzt die europäische Weltraumorganisation erstmals auf einer interplanetaren Mission auch elektrisch betriebene Ionentriebwerke ein. Insgesamt vier davon befinden sich an Bord von „BepiColombo“. 

Warum diese Kombination? Chemische Triebwerke geben mehr Schub, brauchen aber mehr Treibstoff, sagt Andreas Rudolph. „Die Ionentriebwerke arbeiten mit ionisiertem Xenongas. Der Antriebsstrahl leuchtet bläulich, was an Science-Fiction-Filme erinnert. Sie können zwar nur einen geringen Schub erzeugen, sind aber viel effizienter als chemische Triebwerke.“

Merkur wird mindestens ein Erdenjahr lang untersucht

Eine ausgeklügelte Flugbahn führt zum Reiseziel und dabei zweimal an der Venus, einmal an der Erde sowie sechsmal am Merkur selbst vorbei, erläutert Christoph Steiger: „Die Vorbeiflüge werden für Gravitationsmanöver genutzt, um die Flugbahn und Geschwindigkeit der Sonde ohne Treibstoffverbrauch so anzupassen, dass man schlussendlich auf die Merkur-Umlaufbahn gelangt. Die Ionentriebwerke würden dabei eingesetzt, um die Flugbahn in den Monaten und Jahren zwischen den Vorbeiflügen an den Planeten anzupassen, „während mit den chemischen Triebwerken letzte Korrekturen der Flugbahn kurz vor und nach den Gravitationsmanövern gemacht werden“.

„Könnten wir unbegrenzt Treibstoff mitnehmen, wäre die Sonde auch in der Lage, Merkur direkt anzusteuern“, sagt Steiger. Aber das sei schon allein aufgrund des Gewichts, das eine solche Masse an Treibstoff beanspruchen würde, nicht möglich. 

Wenn alles gut geht, dann fliegt die Sonde nach den kritischen ersten Monaten erst einmal knapp sieben Jahre lang im Routinebetrieb durchs All; sofern man bei einer Weltraummission überhaupt davon sprechen kann. Im Herbst 2025 soll „BepiColombo“ dann in die Umlaufbahn des Merkur einschwenken. Ein Erdenjahr lang sollen die beiden Orbiter den geheimnisvollen Nachbarn der Sonne dann erforschen – mit der Option auf Verlängerung um ein weiteres Erdenjahr. Auf dem Merkur mit seiner kurzen Umlaufzeit um die Sonne werden nach Abschluss der Mission dann vier oder sogar acht Jahre vergangen sein.

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