Dawn (Raumsonde)

Dawn
Dawn vor dem Start
NSSDC ID	2007-043A
Missions­ziel	Asteroid Vesta und Zwergplanet Ceres.Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Missionsziel
Auftrag­geber	NASAVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Auftraggeber
Träger­rakete	Delta-II-7925H-9.5-RaketeVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Traegerrakete
Verlauf der Mission
Startdatum	27. September 2007Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startdatum
Startrampe	SLC-17BVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startrampe
Enddatum	Juli 2015 (Ende der Primärmission)Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Enddatum
Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Verlauf 27. September 2007 Start 17. Februar 2009 Mars-Swing-by in 543 km Abstand 16. Juli 2011 Ankunft beim Asteroiden Vesta 5. September 2012 Abflug vom Asteroiden Vesta 6. März 2015 Ankunft bei Ceres Juli 2015 Ende der Primärmission November 2015 niedriger Orbit für Sekundärmission Anfang 2016 Ende der Sekundärmission
Logo der Mission
Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Logo

Dawn (englisch für Morgendämmerung) ist eine Raumsonde des Discovery-Programms der NASA, die am 27. September 2007 gestartet wurde. Sie umkreiste und erforschte den Asteroiden Vesta und den Zwergplaneten Ceres. Der Name Dawn steht für das Ziel Aufschluss über die Frühgeschichte des Sonnensystems zu erhalten, in dem sie als erste Sonde die als sehr ursprünglich angesehenen Objekte des Asteroidengürtels besucht.

Die Mission wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) geleitet, während die wissenschaftliche Projektführung bei der University of California liegt. Die Gesamtkosten werden von der NASA mit 357,5 Millionen US-Dollar beziffert. Davon entfallen 281,7 Millionen Dollar auf die Entwicklung und den Bau der Sonde und 75,8 Millionen Dollar auf den Flugbetrieb.

Planung

Im Rahmen des Discovery-Programms wurde aus verschiedenen möglichen Projekten im Jahr 2001 Dawn und Kepler ausgewählt. Beide Missionen sollten 2006 gestartet werden.^[1]

Im November 2005 wurde die Vorbereitung der Mission vom JPL gestoppt. Ursache waren Kostenüberschreitungen bei der Fertigung der Sonde.^[2] Anfang 2006 sollte entschieden werden, ob die Mission mit einem späteren Startdatum weitergeführt oder ganz gestrichen wird. Da das Startfenster für die Sonde mit mehr als einem Jahr ungewöhnlich lang ist, war ein Start der Mission bis Oktober 2007 möglich.

Am 3. März 2006 wurde offiziell bekanntgegeben, dass die Dawn-Mission gestrichen worden sei.^[3] Die zum größten Teil fertiggestellte Raumsonde sollte eingelagert werden. Allerdings gab der Chef der NASA Michael Griffin kurz darauf bekannt, die Streichung der Mission befinde sich vorerst in Überprüfung.^[4] Nur drei Wochen später gab die NASA am 27. März bekannt, dass das Dawn-Programm wieder aufgenommen worden sei.^[5]

Missionsverlauf

Vorbereitungen und Start

Die von Orbital Sciences gebaute Sonde sollte nach ursprünglichen Planungen im Juli 2007 mit einer Delta-II-7925H-9.5-Rakete starten. Während der Startvorbereitungen wurde am 11. Juni 2007 ein Solarzellenflügel von einem herunterfallenden Werkzeug beschädigt, konnte jedoch repariert werden, ohne den Zeitplan zu gefährden.

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  Beschädigung an einem Solarzellenflügel von Dawn

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  Der reparierte Solarzellenflügel

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  Start am 27. September 2007

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  Dawn wird auf die Oberstufe ihrer Delta II Heavy gehoben

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  Blick entlang eines Solarpaneels für Dawn

Der Start wurde jedoch aus anderen Gründen um drei Monate verschoben und die bereits auf die Trägerrakete montierte Sonde wieder abgenommen und eingelagert.^[6] Am 27. September 2007 um 11:34 UTC wurde die wieder auf die Rakete montierte Raumsonde Dawn erfolgreich von Startrampe 17B der Cape Canaveral Air Force Station gestartet.^[7]

Flug durchs innere Sonnensystem und Swing-by am Mars

Flugroute von Dawn

In den ersten 81 Tagen nach dem Start überprüfte die Bodenkontrolle Dawn und die Instrumente. Nach einer genauen interplanetaren Bahnbestimmung begann die Sonde am 17. Dezember 2007, eines der drei NSTAR Ionentriebwerke im Dauermodus zu betreiben, um die Flugbahn auf eine Übergangsbahn zum Mars zu verändern.^[8] Nachdem etwa 85 % dieser Bahnellipse außerhalb der Erdbahn durchlaufen waren, führte Dawn am 17. Februar 2009 ein Swing-by-Manöver am Mars durch, um auf eine höhere Geschwindigkeit und auf eine sonnenfernere Bahn für den Flug zu Vesta zu gelangen. Nebenbei gab es einige Aufnahmen von Mars.

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  Vorbeiflug am Mars, 17. Februar 2009

Asteroid Vesta

Ab Mai 2011 lieferte Dawn die ersten Aufnahmen von Vesta.^[9][10] Zu diesem Zeitpunkt dienten die Bilder nur zur Navigation der Sonde und waren noch nicht in Schärfe und Auflösung optimiert. Am 16. Juli 2011 schwenkte Dawn in eine Bahn um Vesta mit einem Radius von etwa 16.000 Kilometer ein.^[11] Danach wurde der Orbitradius nach und nach weiter verringert. Anfang August wurde in einer Höhe von 2700 Kilometer ein Orbit erreicht, in dem erste Bilder und wissenschaftliche Daten gesammelt werden konnten. Aus dieser Höhe wurde vor allem die Zusammensetzung der Oberfläche mit Hilfe spektroskopischer Untersuchungen bestimmt. Anschließend wurde die Höhe des Orbits auf knapp 680 Kilometer über der Oberfläche abgesenkt. In diesem Orbit wurde Vestas Oberfläche kartografiert und mittels Stereobildern wurden topografische Daten gesammelt. Danach wurde die Flughöhe noch weiter auf 200 Kilometer abgesenkt. In dieser Höhe wurde mittels des Gamma Ray/Neutron Spectrometers die Zusammensetzung der Oberfläche genauer analysiert. Als die Sonde im Frühjahr 2012 begann, sich von Vesta zu entfernen, verharrte sie kurz in einem Orbit von 2700 Kilometer, um Daten zu sammeln. Der Winkel der Sonneneinstrahlung hatte sich verändert, so dass die Wissenschaftler zuvor verborgene Details und verschiedene Blickwinkel von Oberflächenstrukturen beobachten konnten.^[12]

Die ursprünglich geplante Dauer der Vesta-Mission wurde im April 2012 durch die NASA um vierzig Tage zunächst bis zum 26. August 2012 verlängert.^[13] Wegen des Ausfalls eines Reaktionsrades musste der Abflug von Vesta dann bis in den September verschoben werden. Dawn ist mit vier Reaktionsrädern ausgerüstet, von denen normalerweise mindestens drei funktionieren müssen. Nachdem aber bereits im Juni 2010 ein erstes Reaktionsrad ausgefallen war, wurde nun eine neue Software installiert, die den Betrieb auch mit nur zwei Reaktionsrädern unter Zuhilfenahme der Hydrazin-Triebwerke ermöglichte, so dass auch der Ausfall dieses zweiten Rades den weiteren Missionsverlauf nicht gefährden konnte.^[14]

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  Annäherung an Vesta, 265.000 km, 14. Juni 2011

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  Vesta aus 100.000 Kilometern, 1. Juli 2011

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  Vesta aus 41.000 Kilometern, 9. Juli 2011

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  erstes Bild aus dem Orbit in 16.000 Kilometern Abstand, 17. Juli 2011

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  Vesta in Rotation

Ceres

Am 5. September 2012 verließ Dawn die Umlaufbahn um Vesta auf einer Transfer-Bahn zum Zwergplaneten Ceres.^[14] Diese Bahn wurde durch nahezu fortwährenden Schub erzeugt und führte auf einen etwa 10 % größeren Sonnenabstand. Am 6. März 2015 trat die Sonde Dawn in eine sehr hohe Umlaufbahn um den Zwergplaneten Ceres ein, die danach für die Ausführung wissenschaftlicher Aufgaben schrittweise abgesenkt wurde.^[15] Die Primärmission bestand in der ersten Kartografierung der Oberfläche aus einem hohen Ceres-Orbit und endete im Juli 2015.

Von Juli bis Dezember 2015 näherte sich Dawn in mehreren Schritten spiralförmig bis auf 380 km; dies ermöglicht eine zweite Kartografierung mit einer Auflösung von 40 Meter pro Bildpunkt. Diese Sekundärmission, die auch zur detaillierten Erfassung der Bodenchemie diente, endete Ende Juni 2016.^[16] Die NASA genehmigte Anfang Juli 2016 die Finanzierung der Anschlussmission. Ab 2. September 2016 wurde die Umlaufbahn wieder auf 1460 km erhöht, um den Hydrazinverbrauch zu reduzieren. Damit befand sich die Sonde ungefähr wieder in der gleichen Höhe wie bei der ersten Kartografierung, aber die Beobachtung geschieht aus einer anderen Perspektive.^[17] Von November bis Dezember wurde die Umlaufbahn weiter auf 7200 km vergrößert, um die vorhergehenden Messungen zu wiederholen und damit präzisere Daten zu gewinnen. Die Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer, die zuvor die Oberfläche untersuchten, untersuchen nun die kosmische Strahlung, um die Hintergrundstrahlung in die Berechnungen einbeziehen zu können und präzisere Daten zu bekommen.^[18] Im Februar 2017 befand sich Dawn in einer hochgradig elliptischen Bahn in einer Höhe zwischen 7520 km und 9350 km und wechselte ab 23. Februar in eine Höhe von 20.000 km und in eine andere Umlaufebene, auch dieses erlaubt neue Perspektiven. Im Frühjahr befindet sich die Sonne direkt hinter der Sonde, so dass Ceres die höchste Abstrahlung hat, man erhofft sich dadurch zusätzliche Hinweise über die Beschaffenheit des Zwergplaneten.^[19] Am 24. April 2017 fiel das dritte Reaktionsrad aus.^[20] Das letzte verbleibende Reaktionsrad wurde daraufhin deaktiviert und die Sonde wird bis zum Ende nur noch Hydrazin zur Lagekontrolle einsetzen. Bereits im April 2011 war die geänderte Software zur Lagesteuerung im "Hybridmodus" installiert worden, die die Sonde mit zwei Reaktionsrädern zusammen mit den Hydrazindüsen steuern kann. Die Flugbahnen und Beobachtungspläne wurden so modifiziert, dass die Steuerdüsen minimal in Betrieb sind, was die Reichweite der Hydrazinreseven vergrößerte. Die Software war auch auf den Ausfall der letzten Reaktionsräder vorbereitet, so dass keine Änderungen des Beobachungsplans oder eine Softwaremodifizierung mehr nötig war.^[21]

Als mögliche Anschlussmission war ein Besuch des Asteroiden (145) Adeona im Gespräch, aber mit den defekten Reaktionsrädern war nicht sicher, ob Dawn es bis dort in brauchbarem Zustand schaffen würde. Statt dessen wurde die Beobachtung von Ceres fortgesetzt. Ceres nähert sich im Juli 2016 dem Perihel und man verspricht sich neue Erkenntnisse und Entdeckungen durch Langzeitbeobachtung.^[22] Die verbleibenden Hydrazinreserven werden voraussichtlich nicht über das Jahr 2017^[veraltet] hinaus reichen.^[23]

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  Ceres (Animation) am 4. Februar 2015

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  Ceres, aufgenommen am 19. Februar 2015

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  Ceres (Animation) am 19. Februar 2015

Technik

Die Dawn-Raumsonde hat als Hauptkörper einen Bus mit 1,36 m Höhe und hat mit voll entfalteten Solarzellenflächen eine Spannweite von 19,7 m. Die Startmasse betrug 1108 kg, davon 624 kg Leermasse. Die Sonde verfügt über drei NSTAR-Ionentriebwerke mit einem spezifischen Impuls von 3000 s, deren Vorgänger bereits bei der Deep-Space-1-Mission erprobt wurde. Die Triebwerke verwenden Xenon als Stützmasse und werden für die interplanetaren Transfers als Marschtriebwerke eingesetzt. 425 kg Xenon führt die Sonde mit (ursprünglich waren 450 kg geplant). Die drei 30-cm Triebwerke sind in zwei Achsen schwenkbar, somit können sie auch zur Lagekontrolle eingesetzt werden. Von den drei Triebwerken kann immer nur eines arbeiten. Während das Triebwerk von Deep Space 1678 Tage lang im Einsatz war, wurden für diese Mission 2100 Tage Betrieb eingeplant. Zum Einschwenken in die Umlaufbahnen um die Himmelskörper werden dagegen herkömmliche, Hydrazin verbrennende Triebwerke benutzt. Da der Ionenantrieb viel elektrische Energie benötigt, verfügt die Sonde über große Solarpaneele, die in Erdnähe 10 kW Leistung liefern, bei Ceres rechnete man mit noch 1 kW. Im ursprünglichen Entwurf waren viersegmentige Solarpaneele vorgesehen, die jedoch im Laufe der Entwicklung in fünfsegmentige mit 25 % mehr Solarzellenfläche und somit 25 % mehr Leistung geändert wurden.

Zur Kommunikation verfügt die Sonde über drei Niedergewinnantennen und eine Hochgewinnantenne mit einem Durchmesser von 152 cm. Die Niedergewinnantennen ermöglichen die Kommunikation solange die Hochgewinnantenne nicht in Richtung zur Erde zeigt, aber es kann immer nur eine der drei in Betrieb sein.^[24]

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  Dawns Bus mit Beschriftung (englisch)

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  Dawns Spannweite mit entfalteten Solarzellenpaddeln

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  Dawns Xenon-Tank

Instrumente

Vorhandene Instrumente

Auf Dawn sind drei wissenschaftliche Instrumente integriert:

Framing Camera (FC)

Dawn verfügt aus Gründen der Redundanz über zwei identische Kameras, welche primär zur Kartierung der Asteroiden eingesetzt werden. Durch die multispektralen Aufnahmen der Kameras kann auch die geologische Zusammensetzung der Oberfläche studiert werden. Ein weiteres Einsatzgebiet der Kameras ist die optische Navigation der Sonde anhand von Sternenfeldern. Jede Kamera wiegt etwa fünf Kilogramm und benötigt etwa 18 Watt Leistung. Die Kameras wurden vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Kooperation mit dem deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie dem Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze (IDA) an der Technischen Universität Braunschweig gebaut.^[25]

Visible and IR Spectrometer (Mapping Spectrometer (MS), intern 'VIR')

VIR ist ein Spektrometer, der im sichtbaren und infraroten Licht arbeitet. VIR basiert auf dem VIRTIS-Instrument der Venus-Express-Mission und wurde von der italienischen Raumfahrtagentur ASI bereitgestellt.^[26]

Gamma Ray/Neutron Spectrometer (GR/NS, intern 'GRAND')

Das Gammastrahlen/Neutronen-Spektrometer soll das Vorkommen von Hauptelementen wie Sauerstoff, Silicium, Eisen, Titan, Magnesium, Aluminium, Calcium sowie Spurenelementen wie Uran, Thorium, Kalium, Wasserstoff, Gadolinium und Samarium kartieren. Zudem soll das Gamma Ray/Neutron Spectrometer das Vorhandensein von Wasserstoff entdecken können, um das Niveau der Hydration der Asteroidenoberfläche zu bestimmen. Das Instrument wird vom Los Alamos National Laboratory des US-Energieministeriums bereitgestellt.^[27]

Gestrichene Instrumente

Weitere zwei Instrumente wurden aus dem endgültigen Entwurf der Sonde entfernt:

Magnetometer (Mag)

Das Magnetometer sollte nach schwachen Magnetfeldern bei den Asteroiden suchen. Das Instrument wäre an einem fünf Meter langen Ausleger angebracht gewesen. Mag wurde vom University of California, Los Angeles bereitgestellt, aber aus Gewichtsgründen aus dem endgültigen Entwurf der Sonde entfernt.^[28]

Laser Altimeter (GLA)

Das Laser-Höhenmessgerät sollte topografische Karten der Asteroiden erstellen und vom Goddard Space Flight Center der NASA geliefert werden. Die Vielzahl der Aufnahmen von verschiedenen Richtungen können stereoskopisch ausgewertet werden, um unabhängig davon Höheninformationen abzuleiten.

Sonstiges

Die NASA gab Interessierten bis zum 4. November 2006 die Möglichkeit, ihren Namen an eine Webseite zu schicken, um ihn auf einen Microchip schreiben zu lassen, der in der Raumsonde mitfliegt. Bei dieser Internetkampagne „Send your name to the Asteroid Belt“ wurden rund 365.000 Namen registriert.

Bereits Mitte der 1980er Jahre war eine Raumsonde zum Asteroiden Vesta in Planung. Diese russisch-französische Kooperation hieß VESTA und sollte die erfolgreiche Zusammenarbeit bei den VEGA-Sonden fortsetzen. Der Start war für 1991/92 geplant. Aufgrund verschiedener Faktoren wurde diese Mission jedoch Ende der 1980er Jahre eingestellt.^[29]

Im März 2016 erhielt das Dawn-Team von NASA und JPL die Collier Trophy der National Aeronautic Association.

Siehe auch

• Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen

Weblinks

Commons: Dawn – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Dawn Blog Umfangreiche Berichte des JPL (englisch)
• Dawn Homepage des MPS (deutsch)
• Dawn Homepage bei JPL (englisch)
• Dawn Mission Page bei NASA (englisch)
• Ausführliche Beschreibung der Dawn-Mission bei Bernd Leitenberger
• Virtueller 3D-Überflug von Vesta (englisch)

Einzelnachweise