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Die Esa-Raumsonde "BepiColombo" und ihr Orbiter sollen den Merkur ab dem Jahr 2025 umkreisen.

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Komplizierte Mission zum Merkur

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Die Europäische Raumfahrtagentur schickt im Oktober eine Sonde zu dem unbekanntesten aller Planeten unseres Sonnensystems.

„Der Merkur ist ein merkwürdiger, ein rätselhafter Planet“, sagt Paolo Ferri, Leiter des Missionsbetriebs bei der Europäischen Raumfahrtagentur Esa: „Er ist klein, so nah wie kein anderer Planet bei der Sonne und auf einer Seite heiß wie ein Backofen. Die Tage und Nächte sind sehr lang, und ein Jahr dauert dort nur drei Monate. Aber insgesamt wir wissen noch nicht so sehr viel über ihn.“

Bislang hat sich Merkur seiner genauen Erforschung gegenüber widerspenstig gezeigt. Von der Erde aus lässt er sich wegen der geringen Distanz zur Sonne nur schwer beobachten. Und nur zweimal bekam er seit Beginn der Raumfahrt Besuch von irdischen Sonden, beide Male wurden sie von der US-Behörde Nasa geschickt: 1974 und 1975 flog „Mariner 10“ dreimal an Merkur vorbei, fast 40 Jahre später startete 2011 die Sonde „Messenger“ und lieferte bis 2015 rund 4000 Bilder des Planeten. Zwar gelang es dem Orbiter, die Oberfläche vollständig zu kartieren. Doch weil seine elliptische Umlaufbahn streckenweise sehr weit entfernt von Merkur verlief, war die Qualitäten der Aufnahmen zum Teil sehr grobkörnig, sagt Ferri. 

Dieses Jahr nun will die Esa ihre erste Sonde zum Merkur schicken. „BepiColombo“ – benannt nach dem Spitznamen des 1984 verstorbenen Mathematikers und Merkurforschers Giuseppe Colombo – soll sich im Herbst an Bord einer Ariane-5-Rakete vom europäischen Raumflughafen Kourou in Französisch Guyana aus auf die Reise machen; der erste mögliche Termin ist der 5. Oktober, wenn es bis hin nicht klappt, gibt es danach noch ein sechswöchiges Zeitfenster für den Start.

Neben einem europäischen Orbiter wird als „Passagier“ auch ein kleinerer Flugkörper der japanischen Agentur Jaxa mit an Bord sein. Auf einer ausgeklügelten Flugroute soll „BepiColombo“ sieben Jahre lang zum Merkur unterwegs sein, und die beiden Orbiter Ende 2025 in ihren vorgesehenen Umlaufbahnen absetzen. 

„BepiColombo“ wird neben dem 2016 beendeten Kometenbesuch von „Rosetta“ die bisher ambitionierteste Mission der Esa überhaupt sein und mit rund 1,3 Milliarden Euro auch ähnlich hohe Kosten in Anspruch nehmen. Mehrere Forschungseinrichtungen wie das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, die Universitäten Braunschweig und Münster sowie 83 Firmen aus 16 Ländern sind an der Mission beteiligt. Gebaut wird die Sonde bei Airbus Defense and Space in Friedrichshafen.

Eigentlich war der Start bereits für 2013 geplant gewesen. Doch die notwendigen komplizierten Manöver auf dem Weg zum Merkur und insbesondere die unwirtlichen Bedingungen in der Nähe des Planeten erforderten für die Sonde neue Technologien und eine komplexe Bauweise – so kam es immer wieder zu Verzögerungen. „Es gab sehr viele Frustrationen auf dem Weg“, erzählt Paolo Ferri, der die Leitung des Projekts im Jahr 2004 übernommen hatte: „BepiColombo ist eine so komplizierte Mission, die verzeiht nichts. Wenn nur eine Kleinigkeit schiefgeht, kann alles scheitern.“

Das größte Problem beim Merkur ist aus irdischer Sicht die enorme Hitze, die in seiner Umgebung herrscht. Der Planet umkreist die Sonne in einer Entfernung von nur 58 Millionen Kilometern (bei der Erde sind es rund 150 Millionen Kilometer). „Der Merkur ist auf seiner der Sonne zugewandten Seite extrem heiß und hell – und reflektiert das auch. Er strahlt stärker ab als die Sonne auf die Erde“, erklärt Ferri.

Tagsüber herrschen auf dem Planeten Temperaturen zwischen 400 und 500 Grad Celsius, nachts dagegen wird es bis zu minus 170 Grad kalt. Eine Atmosphäre gibt es nicht. Der Esa-Orbiter soll den Planeten auf einer elliptischen Bahn in einer Entfernung zwischen 480 und 1500 Kilometern umfliegen und ihm damit wesentlich näher kommen als sein Nasa-Vorgänger; nur zwei Stunden dauert es bei dieser Distanz, den kleinen Himmelskörper mit seinem Durchmesser von nur 4878 Kilometern einmal zu umfliegen. 

Doch diese Nähe zum Merkur, die scharfe Aufnahmen und detaillierte Untersuchungen ermöglichen soll, birgt Tücken: Alles wird sehr schnell sehr heiß. Um den Satelliten vor der Hitze zu schützen, bekam er nicht nur eine thermale Decke verpasst, sondern mehrere Lagen, die aus verschiedenen Materialien wie Metallen und Stoffen bestehen. Trotzdem wird immer noch extrem viel Wärme in die Sonde eindringen. 

„BepiColombo musste deshalb so konstruiert werden, dass die gesammelte Hitze auf einer Seite von einem Radiator ins Weltall geleitet wird“, erläutert Ferri: „Eine solche Technologie zu entwickeln, war unglaublich schwierig.“ Die Antenne besteht aus Titan – und selbst die Solarzellen, die ja für die Energieproduktion sogar auf die Sonne angewiesen sind, bekämen bei einer herkömmlichen Konstruktionsweise viel zu viel Strahlen ab und würden es nicht überleben. „Normalerweise neigen sich die Solarzellen von Satelliten in einem 90-Grad-Winkel zur Sonne. Bei ,BepiColombo‘ darf es nur ein Winkel von maximal zehn Grad sein. Das reicht schon aus, um sie extrem zu erhitzen, mehr würde sie zerstören“, sagt Ferri. 

Eine besondere Herausforderung stellte auch der Antrieb für diese weite Reise dar. Normalerweise fliegen Sonden mit einem Antrieb, der auf einer chemischen Reaktion basiert, die sich ereignet, wenn spezielles Gas und oder Flüssigkeiten brennen. „Das gibt einen starken Impuls, aber für diese Beschleunigung braucht man sehr viel Treibstoff“, erklärt der Physiker.

Ein Ionenantrieb dagegen basiert auf elektrisch geladenem Gas, in diesem Fall Xenon. „Das beschleunigt zwar nicht so stark, ist aber Treibstoff-effizienter, denn es schiebt die Sonde sehr sanft an – und das über Monate.“ „BepiColombo“ nutzt beide Antriebsvarianten, wobei das chemische System vor allem für schnelle Änderungen der Flugbahn eingesetzt wird. Insgesamt ist die Sonde mit vier Ionenantrieben ausgestattet; zwei wären nötig, zwei sind redundant. 

Sieben Jahre lang wird „BepiColombo“ unterwegs sein, bis die Sonde Merkur erreicht und die beiden Orbiter in der Umlaufbahn absetzt. Warum dauert die Reise so lange? Schließlich liegen zwischen Erde und Merkur – je nach Position zueinander – „nur“ 100 bis 200 Millionen Kilometer.

Wäre das nicht schneller zu schaffen? Nein, denn Merkur kann nicht direkt angesteuert werden, er ist nur über eine komplizierte Route zu erreichen – ansonsten gelänge es der Sonde nicht, abzubremsen und in eine sichere Umlaufbahn einzuschwenken: „BepiColombo“ wird also zunächst der Sonne entgegen fliegen, deren starke Gravitation die Sonde aber so stark beschleunigt, dass diese sich eineinhalb Jahre nach dem Start erst einmal zurück Richtung Erde begeben muss, um wieder langsamer zu werden. Auch Venus und Merkur selbst muss „BepiColombo“ deshalb mehrmals passieren.

Mindestens ein Jahr soll der Esa-Orbiter in der Umlaufbahn von Merkur bleiben. An Bord befinden sich elf Kameras und Instrumente. Sie sollen hochauflösende infrarote und visuelle Aufnahmen machen, die reflektierte Sonnenstrahlung in verschiedenen Wellenlängen messen, den Planeten mit Laser abtasten oder mit Radiowellen kleine Änderungen der Umlaufbahn feststellen.

Es gibt viel zu entdecken, denn Merkur ist von allen Planeten unseres Sonnensystems der unbekannteste. So weiß man nicht, warum er über ein ähnlich starkes Magnetfeld wie die Erde verfügt. Im Inneren des Gesteinsplaneten wird ein flüssiger Kern mit viel Eisen vermutet; eine gesicherte Erkenntnis ist das allerdings nicht.

Auch soll geklärt werden, ob es auf dem Merkur Vulkanismus gibt, Aufnahmen von „Messenger“ deuten darauf hin. Auch machte die Nasa-Sonde vor sechs Jahren Bilder von Kratern in den Polregionen des atmosphärelosen Planeten. Diese Stellen soll „BepiColombo“ jetzt noch einmal näher untersuchen. „Vielleicht“, sagt Paolo Ferri, „gibt es dort ja sogar Wasser in Eisform.“ Von der Temperatur her wäre es möglich: Denn einige dieser Krater liegen stetig im Schatten und sind auf dem erhitzten Planeten Orte ewiger Kälte.

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