14.09.2017
Der Cosmic Dust Analyzer: Ein Gemeinschaftsprojekt von Max-Planck und DLR
- Der einzige deutsche Instrumentenbeitrag an den zwölf Experimenten von Cassini - das weltweit immer noch einmalige Instrument CDA - ist von unermesslichem Wert für die Wissenschaft.
- Die Messungen und die beim Bau gewonnene Expertise bilden heute die Basis für zahlreiche neue Missionen zu den Jupitermoden Europa und Ganymed sowie dem Saturnmond Enceladus.
- Der CDA wurde als Gemeinschaftsprojekt des DLR-Instituts für Planetenforschung und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik entwickelt und gebaut.
- Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Planetenforschung
Insgesamt 18 wissenschaftliche Instrumente befinden sich auf Cassini-Huygens. Eines davon ist der Cosmic-Dust-Analyzer (CDA), der Eis- und Staubpartikel im Saturnsystem analysiert. Das Besondere an diesem weltweit immer noch einmaligen Instrument ist, dass es gleichzeitig elektrische Ladung, Geschwindigkeit, Flugrichtung und Masse einzelner Teilchen bestimmen kann. Der CDA, gerne etwas despektierlich auch als "kosmischer Staubsauger" bezeichnet, wurde als Gemeinschaftsprojekt des Instituts für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin Adlershof und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPI-K) entwickelt und gebaut.
Die Untersuchung von Staub im Sonnensystem - das hört sich zunächst nicht sehr aufregend an. Doch der Staub, der in den scheinbar unendlichen Weiten des Sonnensystems anzutreffen ist, verrät einiges über das Sonnensystem und seine Frühzeit, aber auch seine galaktische Umgebung. Die meisten kosmischen Staubpartikel haben eine Größe von wenigen Molekülen bis zu einem Mikrometer, also einem Tausendstel Millimeter. Darunter fällt auch, was volkstümlich gelegentlich als "Sternenstaub" bezeichnet wird. Wissenschaftlich betrachtet handelt es sich bei Sternenstaub (Stardust) um Mineralstäube, die bei Sternengeburten entstanden sind und Teil des interstellaren Mediums sind, also nicht aus unserem Sonnensystem stammen. Solcher Sternenstaub findet sich gelegentlich in kleinen Kügelchen, den kohligen Chondriten, als Bestandteil von Meteoriten, die sich als "Planetesimale" (den Urbausteinen der Körper des Sonnensystems) vor viereinhalb Milliarden Jahren in der Scheibe aus Staub und Gas um die Sonne gebildet haben. "Echter" Sternenstaub ist demnach also auch älter als die Erde und stammt von Sternen, die vor der Sonne entstanden sind.
Staub ist nicht gleich Staub
Demnach gibt es intergalaktischen Staub, also Staub, der nicht aus der Milchstraße, sondern einer anderen Galaxie stammt, interstellaren Staub, der von anderen Sternen in unserer Galaxis stammt, sowie interplanetaren Staub aus dem Sonnensystem. Letzterer ist für das als Zodiakallicht bekannte Leuchtphänomen verantwortlich. Es ist eine schwach leuchtende Erscheinung in der Ebene der Bahn der Erde um die Sonne, der Ekliptik, in der auch die Sternzeichen des Tierkreises zu sehen sind. Dabei wird Sonnenlicht an den Partikeln des interplanetaren Staubs in der Planetenebene gestreut. Man schätzt, dass jedes Jahr etwa 40.000 Tonnen kosmischen Staubs in die Erdatmosphäre eintritt und dort verglüht.
Nach der Mission Galileo zum Jupiter wurde auch für Cassini beschlossen, einen Staubanalysator als Experiment mitzuführen. Für die Entwicklung und den Bau wurde im Jahr 1991 die Zusammenarbeit zwischen dem MPI-K und dem DLR beschlossen. Das MPI-K hatte die wissenschaftliche Leitung unter Professor Eberhard Grün inne; als Professor Grün in den Ruhestand wechselte, übergab er die Leitung an Dr.-Ing. Ralf Srama, der heute am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart forscht und lehrt. Das DLR übernahm unter der Leitung von Dr. Franz Lura, der auch Mitglied des CDA-Wissenschaftsteam ist, die Entwicklung des Thermaldesigns, den Bau der gesamten Mechanik inklusive der Drehplattform sowie die Entwicklung der Algorithmen zur Datenkompression. Es führte außerdem die Kontaminationsstudien durch, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse der auf die Detektoren treffenden Staubteilchen eindeutig von kosmischem Staub und nicht von Verunreinigungen stammen. In diesem Zusammenhang wurden unter anderem Studien zur Verarbeitung des in einer "Bienenwaben"-Struktur gebauten großen Sensorgehäuses aus Aluminium und zur Herstellung der hintereinander angeordneten, hochtransparenten Durchlassgitter erstellt. Diese ermöglichen es den Staubteilchen quasi ungehindert in den Staubsammelbehälter zu gelangen.
Auch nach 18 Jahren funktioniert alles reibungslos
Technologisch anspruchsvoll war auch das Beulen eines Einschlagssensors aus dem äußerst spröden und harten Metall Rhodium für das integrierte Massenspektrometer, mit dem die chemische Zusammensetzung der Staubteilchen bestimmt wird. In aufwendigen Versuchsreihen bestehend aus zahlreichen Heiz- und Kühlzyklen konnte eine Lösung für die geforderte Form der "Trefferfläche" erreicht werden. Des Weiteren wurden Qualifikationstests unter der Aufsicht des DLR geplant und durchgeführt sowie ein Struktur- und Thermalmodell erstellt. Das Design von Schnittmustern für die Thermalisolation (Multi-layer insulation, MLI) und die Fertigung derselben (in Handarbeit) gehörte ebenfalls zum Arbeitspaket des DLR.
Als das Jet Propulsion Laboratory 1992/1993 zahlreiche Kosteneinsparungen für die Cassini-Mission beschloss, bedeutete das eine unerwartete Aufstockung der DLR Arbeitspakete. Um ein großes Gesichtsfeld des CDA im wissenschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, war ursprünglich geplant, dass der CDA auf einer mit dem Körper der Raumsonde verbundenen Drehplattform angebracht sein würde. Das neue Design der Cassini-Sonde erforderte wegen fehlender Drehplattformen jedoch eine Befestigung des CDA direkt an der Raumsonde Dadurch wären wissenschaftliche Messungen nur noch eingeschränkt möglich gewesen, weil ein Drehen der gesamten Sonde exklusiv für CDA-Messungen zu ständigen Konflikten mit anderen Experimenten geführt hätte. Außerdem wäre das Drehen nur sehr träge zu bewerkstelligen gewesen. So wurde dort, wo der CDA an der Raumsonde angebracht werden sollte, eine eigene Drehplattform entwickelt, die beim DLR-Institut für Planetenforschung erfolgreich gebaut und qualifiziert wurde. Sie ermöglichte immerhin eine Abdeckung von 270 Grad des Raums. Trotz seines täglichen Einsatzes zeigt der Drehmechanismus über seine Nutzungsdauer von 18 Jahren noch immer die ursprüngliche Performance.
CDA-Messungen bis zur allerletzten Minute
Ein weiterer Erfolgsfaktor für die wissenschaftlichen Ergebnisse des CDA war die extrem kontrollierte Sauberkeit der verwendeten Materialien und Prozesse. Buchstäblich bis zur letzten Minute der Mission werden Daten mit dem integrierten Flugzeitmassenspektrometer gewonnen, die zur Grundlage in der Astrobiologie geworden sind. Welche Bedeutung dieses einfache Spektrometer erlangen sollte, war damals nicht absehbar. Der einzige deutsche Instrumentenbeitrag an den zwölf Experimenten von Cassini - das weltweit immer noch einmalige Instrument CDA - ist heute von unermesslichem Wert für die Wissenschaft. Die Messungen und die beim Bau gewonnene Expertise bilden heute die Basis für zahlreiche neue Missionen zu den Jupitermoden Europa und Ganymed sowie dem Saturnmond Enceladus.
Quelle: DLR
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Update: 15.09.2017
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Updated at 4:45 p.m. PDT on Sept. 14, 2017 Cassini Grand Finale
Cassini has begun transmitting data -- including the final images taken by its imaging cameras -- in advance of its final plunge into Saturn on Sept. 15. The spacecraft is in the process of emptying its onboard solid-state recorder of all science data, prior to reconfiguring for a near-real-time data relay during the final plunge. Unprocessed (or "raw" images) are available here. The communications link with the spacecraft is continuous from now through the end of mission (about 12 hours).
NASA's Cassini spacecraft is on final approach to Saturn, following confirmation by mission navigators that it is on course to dive into the planet’s atmosphere on Friday, Sept. 15.
Cassini is ending its 13-year tour of the Saturn system with an intentional plunge into the planet to ensure Saturn's moons – in particular Enceladus, with its subsurface ocean and signs of hydrothermal activity – remain pristine for future exploration. The spacecraft's fateful dive is the final beat in the mission's Grand Finale, 22 weekly dives, which began in late April, through the gap between Saturn and its rings. No spacecraft has ever ventured so close to the planet before.
The mission’s final calculations predict loss of contact with the Cassini spacecraft will take place on Sept. 15 at 7:55 a.m. EDT (4:55 a.m. PDT). Cassini will enter Saturn's atmosphere approximately one minute earlier, at an altitude of about 1,190 miles (1,915 kilometers) above the planet's estimated cloud tops (the altitude where the air pressure is 1-bar, equivalent to sea level on Earth). During its dive into the atmosphere, the spacecraft's speed will be approximately 70,000 miles (113,000 kilometers) per hour. The final plunge will take place on the day side of Saturn, near local noon, with the spacecraft entering the atmosphere around 10 degrees north latitude.
When Cassini first begins to encounter Saturn's atmosphere, the spacecraft's attitude control thrusters will begin firing in short bursts to work against the thin gas and keep Cassini's saucer-shaped high-gain antenna pointed at Earth to relay the mission's precious final data. As the atmosphere thickens, the thrusters will be forced to ramp up their activity, going from 10 percent of their capacity to 100 percent in the span of about a minute. Once they are firing at full capacity, the thrusters can do no more to keep Cassini stably pointed, and the spacecraft will begin to tumble.
When the antenna points just a few fractions of a degree away from Earth, communications will be severed permanently. The predicted altitude for loss of signal is approximately 930 miles (1,500 kilometers) above Saturn's cloud tops. From that point, the spacecraft will begin to burn up like a meteor. Within about 30 seconds following loss of signal, the spacecraft will begin to come apart; within a couple of minutes, all remnants of the spacecraft are expected to be completely consumed in the atmosphere of Saturn.
Due to the travel time for radio signals from Saturn, which changes as both Earth and the ringed planet travel around the Sun, events currently take place there 83 minutes before they are observed on Earth. This means that, although the spacecraft will begin to tumble and go out of communication at 6:31 a.m. EDT (3:31 a.m. PDT) at Saturn, the signal from that event will not be received at Earth until 83 minutes later.
"The spacecraft's final signal will be like an echo. It will radiate across the solar system for nearly an hour and a half after Cassini itself has gone," said Earl Maize, Cassini project manager at NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, California. "Even though we'll know that, at Saturn, Cassini has already met its fate, its mission isn't truly over for us on Earth as long as we're still receiving its signal."
Cassini's last transmissions will be received by antennas at NASA's Deep Space Network complex in Canberra, Australia.
Cassini is set to make groundbreaking scientific observations of Saturn, using eight of its 12 science instruments. All of the mission's magnetosphere and plasma science instruments, plus the spacecraft’s radio science system, and its infrared and ultraviolet spectrometers will collect data during the final plunge.
Chief among the observations being made as Cassini dives into Saturn are those of the Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS). The instrument will directly sample the composition and structure of the atmosphere, which cannot be done from orbit. The spacecraft will be oriented so that INMS is pointed in the direction of motion, to allow it the best possible access to oncoming atmospheric gases.
Quelle: NASA