Vor 45 Jahren: Die Raumsonde Mariner 10 erforscht als erste den Merkur - Panorama

Merkur ist der sonnennächste Planet und hat eine mittlere Entfernung zum Sonnenzentrum von 0,403 AE (= Astronomische Einheit), die Distanz der Erde zur Sonne, in diesem Fall 60,4 Mio. Kilometer. Aufgrund seiner Größe und seiner chemischen Zusammensetzung zählt er zu den erdähnlichen Planeten. Merkur hat zum Beispiel eine sehr dünne Atmosphäre und beherbergt wegen der extremen Temperaturen kein Leben . Er hat mit einer maximalen Tagestemperatur von rund +430 °C und einer Nachttemperatur bis −170 °C die größten Oberflächen-Temperaturschwankungen aller Planeten. Details auf seiner Oberfläche sind ab einer Fernrohröffnung von etwa 20 cm zu erkennen. Kurze Übersicht über den Planeten Merkur Merkur – wie gesagt, der kleinste Planet in unserem Sonnensystem und der Sonne am nächsten – ist nur geringfügig größer als der Erdmond. Seine Oberfläche ist mit Zehntausenden Einschlagskratern bedeckt. Von der Merkuroberfläche aus würde die Sonne mehr als dreimal so groß erscheinen wie von der Erde aus gesehen, und das Sonnenlicht wäre bis zu elfmal heller. Trotz seiner Nähe zur Sonne ist Merkur nicht der heißeste Planet in unserem Sonnensystem – dieser Titel gehört dank seiner dichten Atmosphäre der nahegelegenen Venus. Aber Merkur ist der schnellste Planet, der alle 88 Erdentage um die Sonne kreist. Merkur ist passenderweise nach dem schnellsten der antiken römischen Götter benannt. 7 von 10 Fahrzeugen haben Erfolg Zwischen 1962 und Ende 1973 entwarf und baute das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA das so genannte Mariner-Programm, über das zehn robotische interplanetare Sonden gleichen Namens Mariner, um das innere Sonnensystem zu erkunden. Dabei besuchten sie zum ersten Mal die Planeten Venus, Mars und Merkur und kehrten für weitere Besuche zu Venus und Mars für genauere Beobachtungen zurück. Das Mariner-Programm wurde von der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA zur erstmaligen Erforschung anderer Planeten durchgeführt. Das Programm umfasste eine Reihe interplanetarer Neuheiten, darunter den ersten Vorbeiflug an einem Planeten, den Planetenorbiter und das erste Manöver zur Unterstützung der Schwerkraft der Planeten. Von den zehn Fahrzeugen der Mariner-Serie waren sieben erfolgreich und bildeten den Ausgangspunkt für viele nachfolgende NASA/JPL-Raumsonden-Programme. Die geplanten Mariner Jupiter-Saturn-Fahrzeuge wurden in das Voyager-Programm übernommen, während die Orbiter des Viking-Programms vergrößerte Versionen der Raumsonde Mariner 9 waren. Spätere Mariner-basierte Raumschiffe umfassen Galileo und Magellan, während sich die Mariner Mark II-Serie der zweiten Generation zur Cassini-Huygens-Sonde entwickelte. Frühes Konzept Zwischen 1962 und 1973 entwarf und baute das Jet Propulsion Laboratory der NASA 10 Raumschiffe namens Mariner, um das innere Sonnensystem zu erkunden. Dabei besuchte es zum ersten Mal die Planeten Venus, Mars und Merkur und kehrte für weitere Nahbeobachtungen zu Venus und Mars zurück. Die Mariners waren allesamt relativ kleine Forschungsroboter, die jeweils mit einer Atlas-Rakete mit einem Agena- oder Centaur-Oberstufen-Booster gestartet wurden und weniger als eine halbe Tonne wogen (ohne Bordraketentreibstoff). Mariner-3 und 4 waren identische Raumschiffe, die für die ersten Vorbeiflüge am Mars konzipiert waren. Mariner-3 wurde am 5. November 1964 gestartet, aber die Hülle, die das Raumschiff auf seiner Rakete umhüllte, öffnete sich nicht richtig und Mariner-3 erreichte nicht den Mars. Drei Wochen später, am 28. November 1964, startete Mariner-4 erfolgreich zu einer achtmonatigen Reise zum Roten Planeten. Warum nautische Begriffe gewählt wurden Das Mariner-Programm begann 1960 mit einer Reihe von JPL-Missionsstudien zur regelmäßigen Erkundung der nächstgelegenen Planeten in kleinem Maßstab. Sie sollten die bald verfügbaren Atlas-Trägerraketen sowie die Entwicklungskapazitäten der Deep-Space Instrumentation-Facility (später Deep Space Network) des JPL nutzen, einem globalen Netzwerk von Bodenstationen, die für die Kommunikation mit Raumfahrzeugen konzipiert sind Weltraum. Der Name des Mariner-Programms wurde im Mai 1960 – auf Vorschlag von Edgar M. Cortright beschlossen, um die &bdquo;Planetenmissionssonden … nach nautischen Begriffen zu gestalten, um den Eindruck einer Reise in große Entfernungen und entlegene Länder zu vermitteln“. Diese Entscheidung war die Grundlage für die Benennung der Sonden Mariner, Ranger, Surveyor und Viking. Diese Raumsonden aus der vordigitalisierten Zeit waren außerordentlich ausgeklügelt, auch wenn sie Rechenkapazitäten hatten, die etwa selbst die Leistung erster Digitaluhren aus den 90er-Jahren nicht erreichten. Jedes Raumschiff sollte aber Sonnenkollektoren tragen, die auf die Sonne ausgerichtet waren, und eine Parabolantenne, die auf die Erde ausgerichtet war. Jede Sonde würde auch eine Vielzahl wissenschaftlicher Instrumente tragen. Einige der Instrumente, wie zum Beispiel Kameras, müssten auf den untersuchten Zielkörper gerichtet werden. Andere Instrumente waren ungerichtet und untersuchten Phänomene wie Magnetfelder und geladene Teilchen. JPL-Ingenieure schlugen vor, die Mariners &bdquo;dreiachsenstabilisiert“ zu machen, was bedeutet, dass sie sich im Gegensatz zu anderen Raumsonden nicht drehen würden. Jedes der Mariner-Projekte war darauf ausgelegt, zwei Raumschiffe mit separaten Raketen zu starten, falls es zu Schwierigkeiten mit den nahezu unerprobten Trägerraketen kommen sollte. Tatsächlich gingen Mariner-1, Mariner-3 und Mariner-8 beim Start verloren, aber ihre Sicherungssonden waren erfolgreich. Bei einem späteren Flug zu ihren Zielplaneten oder vor Abschluss ihrer wissenschaftlichen Missionen gingen keine Mariner-Sonden verloren. 1973 bot sich die einmalige Gelegenheit, eine Raumsonde in einer einzigen Mission sowohl zur Venus als auch zum Merkur zu schicken. Mithilfe der Schwerkraftunterstützung, einer seit Jahrzehnten theoretisierten, aber nie zuvor angewandten Technik, kann ein Raumschiff, das zu einem Planeten geschickt wird, unter günstigen Bedingungen die Schwerkraft dieses Planeten nutzen, um praktisch zum nächsten Ziel zu schleudern. Die Methode sparte die Kosten für zusätzlichen Treibstoff und eine größere Rakete, die zum Start des schwereren Raumschiffs erforderlich wären, sowie Zeit für die Anreise zum endgültigen Ziel. Im Jahr 1969 genehmigte die NASA den Plan, eine Raumsonde zum Merkur zu schicken und dabei die Venus als Schwerkraftunterstützung zu nutzen. Die vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, geleitete Mission wurde zu Mariner 10. Es war die letzte in der äußerst erfolgreichen Mariner-Serie planetarischer Raumfahrzeuge, die viele Geheimnisse über das innere Sonnensystem enthüllte. Planetenforscher hatten sowohl durch Beobachtungen auf der Erde als auch durch frühere Begegnungen mit amerikanischen und sowjetischen Raumfahrzeugen viel über die Venus gelernt. Im Vergleich dazu war über Merkur, den innersten Planeten im Sonnensystem, nur sehr wenig bekannt. Noch nie hatte ein Raumschiff den Planeten besucht. Merkurs geringe Größe, die Entfernung von der Erde und die Nähe zur Sonne erschwerten immer wieder Beobachtungen von der Erde aus. Für einen Direktflug zum Merkur wäre aufgrund des zusätzlichen Treibstoffbedarfs zum Erreichen des Planeten eine große und teure Rakete erforderlich gewesen. Die schwerkraftunterstützte Technik bot die Gelegenheit für die damals ersten raumfahrzeugbasierten Beobachtungen der wenig bekannten Welt. Die Ziele von Mariner-10 auf der Venus bestanden darin, bestehende Informationen zu ergänzen, beispielsweise Nahaufnahmen zu machen, die die Struktur der oberen Atmosphäre aufdecken, während es auf dem Merkur eine globalere Untersuchung des Planeten durchführen sollte. Um diese und andere Ziele zu erreichen, führte Mariner 10 sieben wissenschaftliche Experimente durch: das System der Fernsehfotografie bestehend aus zwei Teleskopen zur Abbildung der Planeten; ein Infrarotradiometer zur Berechnung der Temperatur der Venusatmosphäre und der Merkuroberfläche; ein Ultraviolettspektrometer , das in erster Linie dazu dient, eine allfällige Atmosphäre um Merkur herum zu erkennen; Plasma-Detektoren sollen erstmals den Sonnenwind innerhalb der Umlaufbahn der Venus untersuchen; ein Teleskop für geladene Teilchen zur Untersuchung der kosmischen Strahlung; Magnetometer zur Erkennung jeglicher Magnetfelder um Venus und Merkur; ein Experiment zur Himmelsmechanik und Radiowissenschaft , um die Massen- und Gravitationseigenschaften von Venus und Merkur zu untersuchen. Als die Raumsonde hinter Merkur vorbeiflog, wurden ihre Funksignale genutzt, um festzustellen, ob der Planet eine Atmosphäre hatte, und um seinen Radius genau zu messen. Durch die genaue Verfolgung der Flugbahn des Raumfahrzeugs beim Vorbeiflug am Merkur konnten die Masse und die Gravitationseigenschaften des Planeten bestimmt werden. Mariner-10 startete am 3. November 1973 in Cape Canaveral, Florida, um seine Reise zu Venus und Merkur zu beginnen. In seiner weiteren Flugbahnplanung stellte Professor Giuseppe &bdquo;Bepi“ Colombo von der Universität Padua in Italien fest, dass Mariner-10 in eine solche Umlaufbahn gebracht werden könnte, dass es alle 176 Tage erneut auf Merkur treffen würde, genau doppelt so lange, wie es für den Planeten benötigt um die Sonne zu kreisen. Der einzige Nachteil dieses Timings bestand darin, dass die Rotationsperiode von Merkur in einer 3:2-Resonanz mit seiner Umlaufperiode um die Sonne steht, was bedeutet, dass Merkur jedes Mal, wenn Mariner-10 zum Planeten zurückkehrte, dieselbe sonnenbeschienene Hemisphäre zur Beobachtung präsentierte. Somit wurden nur etwa 40–45 % der Planetenoberfläche abgebildet, allerdings mit ausreichend hoher Auflösung, um eine detaillierte Karte zu erstellen. Eine Korrektur in der Mitte des Kurses am 16. März verfeinerte die Flugbahn der Raumsonde für optimale wissenschaftliche Messungen während der ersten Begegnung mit Merkur. Die ersten Instrumente wurden am nächsten Tag aktiviert und eine Woche später wurden die ersten Bilder des Planeten zur Erde gesandt. Diese ersten Bilder zeigten ungefähr den gleichen Detailreichtum wie Fotos, die von der Erde aus aufgenommen wurden, aber als sich die Raumsonde dem Planeten näherte, begannen die Bilder Oberflächenmerkmale zu offenbaren. Am 29. März flog Mariner-10 nur rund 700 Kilometer über der Merkuroberfläche und fotografierte den Planeten bis zum 3. April weiter. Zu diesem Zeitpunkt hatte es mehr als 2000 Bilder sowie eine Fülle von Daten von seinen anderen wissenschaftlichen Instrumenten zurückgesendet. Auf den ersten Blick wirkte Merkur sehr mondähnlich mit einer stark von Kratern übersäten Oberfläche, doch insgesamt zeigten die Oberflächenmerkmale des Planeten weniger Kontrast als die unseres Satelliten. Andere Merkmale wie Steilhänge oder Klippen auf Merkur fehlen auf dem Mond und weisen auf die Entstehung des Planeten hin. Merkur hat auch mare- oder flache, Strukturen, die Ebenen gleichen, wie der Mond und der Mars, mögliche Hinweise auf eine ähnliche planetarische Abstammung im Hinblick auf die Bombardierung durch Asteroiden. Etwas überraschend entdeckte das Magnetometer von Mariner-10 ein schwaches Magnetfeld (etwa 1/60 der Stärke der Erde). Die Funkverfolgung der Flugbahn der Raumsonde ergab, dass Merkur einer perfekten Kugel viel näher kam als die Erde. Der große Temperaturunterschied zwischen der Tag- und der Nachtseite des Merkurs von mehr als 600 °C weist darauf hin, dass seine Oberfläche aus ähnlichem Material wie die des Mondes besteht, einer Staubdecke, die durch Meteoreinschläge pulverisiert wurde. Mariner-10 führte zwei weitere erfolgreiche Vorbeiflüge am Merkur durch. Fünf Korrekturen in der Mitte des Kurses waren erforderlich, um das Raumschiff für seine zweite Begegnung richtig auszurichten und auch die dritte zu ermöglichen. Am 21. September 1974 passierte die Raumsonde 48.100 Kilometer weiter entfernt von Merkurs sonnenbeschienener Seite und diese Flugbahn ermöglichte die Beobachtung der Südpolregion des Planeten. Während der dreitägigen Begegnung wurden etwa 500 neue Bilder des Planeten gesendet, und die größere Entfernung des Vorbeiflugs ermöglichte es den Wissenschaftlern, eine Reihe von Mosaiken über die gesamte Hemisphäre mit erstaunlichen Details zu erstellen. Das Ultraviolettspektrometer der Raumsonde bestätigte, dass Merkur eine sehr dünne Atmosphäre hat, die hauptsächlich aus Helium besteht. Die dritte Begegnung fand am 16. März 1975 statt, allerdings nicht ohne einiges Drama in den Tagen davor. Mariner-10, dem bereits der Treibstoff für die Lageregelung ausgegangen war, brach die Kommunikation mit der Erde ab. Die Fluglotsen bemühten sich, mit der Verfolgung der Antennen Zeit zu gewinnen, um die Kontrolle über das Raumschiff wiederzuerlangen, und hatten gerade noch rechtzeitig vor der Begegnung Erfolg. Wissen um unser Sonnensystem erheblich erweitert Diesmal betrug die Vorbeiflugstrecke nur etwa 325 Kilometer über der Oberfläche, mit dem Hauptziel, das Magnetfeld des Planeten zu untersuchen und detailliertere Bilder von interessanten Orten zu machen, die bei den ersten beiden Begegnungen identifiziert wurden. Es wurden etwa 450 brauchbare schmale Fotostreifen aufgenommen, einige davon mit einer Oberflächenauflösung von bis zu etwa 150 Metern. Acht Tage später war der Treibstoff für die Lageregelung von Mariner-10 aufgebraucht und die Missionskontrolleure sendeten ein Signal, um das Raumschiff auszuschalten. Damit endete der Flugbetrieb einer äußerst erfolgreichen Mission, bei der im Wesentlichen zwei Planeten zum Preis von einem erkundet und vier Begegnungen zum Preis von zwei abgeschlossen wurden. Wissenschaftler analysierten die von Mariner-10 zurückgegebenen Daten viele Jahre lang weiter. Die Entdeckungen auf der Venus und insbesondere auf dem Merkur haben unser Wissen über das innere Sonnensystem erheblich erweitert. Offene Fragen müssten auf die Ankunft späterer Raumschiffe warten, wie zum Beispiel der NASA-Raumsonde MESSENGER, die den Merkur zwischen 2011 und 2015 untersuchte, während sie ihn umkreiste (deren übermittelten Daten sind noch endgültig auszuwerten), und die BepiColombo-Mission, ein gemeinsames Projekt der Europäischen Weltraumorganisation und der Japan Aerospace Exploration Agency, das sich derzeit auf dem Weg zum Merkur befindet und dies voraussichtlich auch weiterhin tun wird, bevor sie im Jahr 2025 in die Umlaufbahn um den Planeten eintreten.