Die Rosetta-Mission
10 Jahre Einsamkeit, 3 Bounces und das Grazer Wunder: Die physikalische Entschlüsselung des Kometen 67P
Als die europäische Raumsonde Rosetta am 2. März 2004 vom Raumfahrtzentrum Guayana an Bord einer Ariane-5-Trägerrakete startete, begann eine der kühnsten physikalischen Expeditionen der Menschheitsgeschichte. Das Ziel: Ein Rendezvous mit dem Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko und die erste weiche Landung auf einem Kometenkern.
Was die Weltöffentlichkeit am 12. November 2014 als dramatischen „Touchdown“ erlebte, war hinter den Kulissen ein triumphaler Stresstest für Instrumente, die extreme Bedingungen überstehen mussten. Ein technologisches Epizentrum dieser Mission lag in Österreich: Das Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz war maßgeblich an fünf entscheidenden Instrumenten auf dem Orbiter und dem Lander Philae beteiligt.
Dieser Beitrag dokumentiert die mechanische, chemische und magnetische Entschlüsselung von 67P durch die Grazer Hardware.
TEIL 1: Orbiter-Analytik – Das Flüstern des Plasmas und die Jagd nach Ur-Staub
Bevor der Lander Philae auf die Oberfläche abgeworfen wurde, musste der Komet aus dem Orbit analysiert werden. Hier kamen zwei massiv durch das IWF unterstützte Systeme zum Einsatz.
RPC-MAG: Das Lied des Kometen
Das Magnetometer des Rosetta Plasma Consortiums (RPC-MAG) wurde unter der Federführung von Karl-Heinz Glassmeier an der TU Braunschweig (IGEP) in enger Kooperation mit dem IWF Graz und dem Imperial College London entwickelt. Das Ziel war die Messung der Wechselwirkung zwischen dem Kometen und dem Sonnenwind.
Noch bevor hochauflösende Kameras die bipolare „Badeenten“-Form des Kometen zeigten, empfing RPC-MAG historische Daten: Der Komet interagierte mit dem solaren Plasma und erzeugte makroskopische magnetische Oszillationen. Diese niederfrequenten Wellen im Bereich von 40 bis 50 mHz (Millihertz) waren für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar. Durch die Erhöhung der Frequenz um den Faktor 10.000 machten die Wissenschaftler diese Plasmawellen akustisch als das berühmte „Singen des Kometen“ hörbar.
COSIMA: Sekundärionen-Massenspektrometrie
Das Instrument COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyser) fängt Staubkörner in der Kometenkoma (der Staubhülle) auf winzigen Gold- und Palladium-Targets (Flächen von 1 cm²) ein. Die Partikel werden fotografiert und anschließend mit einem feinen Indium-Ionenstrahl beschossen, um die chemische Zusammensetzung zu analysieren.
- Principal Investigator: Martin Hilchenbach, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS).
- Der Grazer Beitrag: Das IWF Graz designte und fertigte die DPU.
- Erkenntnis: Die DPU verarbeitete Spektren, die den unumstößlichen Beweis für komplexe, hochmolekulare organische (kohlenstoffbasierte) Makromoleküle im Kometenstaub lieferten – Bausteine, die essentiell für die Entstehung von Leben sind.
TEIL 2: Die Landung – Hardware am Limit
Als Philae sich am 12. November 2014 vom Orbiter trennte, versagte das Kaltgas-Rückstoßsystem. Philae fiel antriebslos in Richtung der Landezone Agilkia. Beim Erstkontakt versagten zudem die Harpunen, die den Lander im Boden verankern sollten. Philae prallte ab, flog fast zwei Stunden im All und kam schließlich in einem dunklen, zerklüfteten Graben namens Abydos zum Stehen.
In dieser chaotischen Phase wurden zwei Grazer Instrumenten-Beteiligungen vom wissenschaftlichen Werkzeug zum absoluten Lebensretter der Mission.
ROMAP: Die Rettung durch Triangulation
ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor) sollte das lokale Magnetfeld des Kometen untersuchen. Entwickelt vom IWF Graz und der TU Braunschweig, unter Leitung von Hans-Ulrich Auster.
- Die Anomalie: ROMAP stellte schnell fest, dass der Komet 67P kein eigenes Magnetfeld besitzt.
- Die Rettung: Da der Hintergrund magnetisch „still“ war, maß ROMAP hochpräzise die magnetischen Störfelder der eigenen Lander-Elektronik. Während Philae hilflos über die Kometenoberfläche taumelte, drehte sich dieses Störfeld mit dem Lander mit. Aus diesen minimalen magnetischen Schwankungen konnten die Teams in Graz und Braunschweig exakt berechnen, wie schnell und in welchem Winkel Philae rotierte. Ohne diese Daten hätten ESA und DLR die endgültige Position in Abydos niemals rekonstruieren können.
MUPUS: Der Kampf gegen das Sinter-Eis
MUPUS (Multi-Purpose Sensors for Surface and Sub-Surface Science) ist ein thermomechanisches Sensorpaket unter der Leitung von Tilman Spohn vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), gebaut mit essentiellen Kernkomponenten des IWF Graz und des polnischen Space Research Centre (CBK PAN).
- Der Plan: Ein mit Sensoren gespickter Stab sollte durch einen elektromechanischen Hammer in den Kometenboden getrieben werden. Man ging aufgrund jahrzehntelanger Modelle davon aus, der Boden sei fluffig wie Neuschnee oder Zigarrenasche (< 10 Kilopascal Druckfestigkeit).
- Die Realität: Als der Hammer am Standort Abydos auf maximaler Energiestufe („Stufe 3“) feuerte, drang die Sonde nur wenige Millimeter ein. Der Hammer lieferte über 7 Minuten lang gewaltige Schläge, bis das System thermisch überlastete und ausfiel.
- Die wissenschaftliche Sensation: Das „Versagen“ des Hammers war in Wahrheit ein gewaltiger Datensatz. Die Auswertung bewies, dass die Oberfläche an diesem Ort eine Druckfestigkeit von mindestens 2 Megapascal (MPa) aufwies. Kometen sind unter einer dünnen Staubschicht teilweise aus extrem hartem, gefrorenem Sinter-Eis aufgebaut.
MIDAS: Die Architektur des Staubes
Selbst auf dem Orbiter wartete noch eine Grazer Meisterleistung. MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System), geleitet vom IWF Graz (Markus Bentley, Klaus Torkar), ist ein Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope) für den Weltraum.
Normalerweise arbeiten solche Mikroskope auf schwingungsisolierten Tischen im Labor. Das IWF baute dieses Instrument so robust, dass es Raketenstarts und 10 Jahre im Vakuum überstand. MIDAS tastete aufgefangene Staubkörner mit ultrafeinen Nadeln im Nanometerbereich ab. Die Topografie-Scans bewiesen: Der Staub von 67P besteht nicht aus massiven Körnchen, sondern aus extrem porösen, leicht zerbrechlichen „fluffy agglomerates“ (fluffigen Ansammlungen winziger Partikel).
Interaktive Station: Philae Landeanflug
PROJEKT ROSETTA
Im März 2004 startete die Europäische Weltraumorganisation (ESA) eine der ambitioniertesten Missionen der Raumfahrtgeschichte. Das Ziel: Der Komet 67P/Tschurjumow-Gerassimenko. Nach einer zehnjährigen Reise durch das Sonnensystem sollte die Raumsonde Rosetta nicht nur in eine Umlaufbahn einschwenken, sondern das Landemodul Philae auf der eisigen, unbekannten Oberfläche absetzen, um die Ursprünge unseres Sonnensystems zu erforschen.
Der Steirische Einfluss
Die Mission hing maßgeblich von Instrumenten ab, die extreme Bedingungen überstehen mussten. Das Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz war als technisches Kernzentrum an fünf wissenschaftlichen Instrumenten beteiligt.
Während Rosetta die Navigation durch das All übernahm, lieferte Graz die entscheidenden Werkzeuge für die physikalische Erforschung: Mikroskope, Magnetometer und Bodensonden, die für das Vakuum, extreme Kälte und einen gewaltigen Aufprall konzipiert wurden.
10 JAHRE EINSAMKEIT
Nachdem die Instrumente in Graz versiegelt und in die Sonde integriert waren, begann die lange Reise. Um Energie für die Ankunft am Kometen zu sparen, wurde Rosetta im Juni 2011 in einen fast dreijährigen Winterschlaf (Hibernation) versetzt.
Am 20. Januar 2014 wachte die Sonde pünktlich auf. Alle Systeme meldeten Einsatzbereitschaft. Rosetta näherte sich dem Kometen 67P auf wenige Kilometer. Noch bevor Bilder die Form des Kometen verrieten, begannen die Instrumente, Daten zu sammeln. Der Komet begann zu „singen“ – eine Plasmawelle, die durch die Messgeräte erfasst wurde.
QUELLEN & REFERENZLISTE
- Auster, H. U., et al. (2015). The nonmagnetic nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Science, 349(6247). DOI: 10.1126/science.aaa5102
(Beweis des fehlenden Magnetfeldes und die Nutzung von ROMAP zur Taumel-Rekonstruktion). - Bentley, M. S., et al. (2016). Aggregate dust particles at comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. Nature, 537(7618), 73-75. DOI: 10.1038/nature19091
(Die MIDAS-Ergebnisse über die „fluffy agglomerates“ durch das IWF Graz). - Fray, N., et al. (2016). High-molecular-weight organic matter in the particles of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Nature, 538(7623), 72-74. DOI: 10.1038/nature19320
(COSIMA-Analyse und der Nachweis komplexer Kohlenstoffstrukturen). - Glassmeier, K. H., et al. (2007). RPC-MAG The Magnetometer Experiment Aboard ROSETTA. Space Science Reviews, 128(1-4), 649-670. DOI: 10.1007/s11214-006-9114-x
(Technische Spezifikationen und Grazer Beteiligung an RPC-MAG). - Spohn, T., et al. (2015). Thermal and mechanical properties of the near-surface layers of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Science, 349(6247). DOI: 10.1126/science.aab0464
(Die Daten des MUPUS-Hammers und der Beweis der extrem harten Sinter-Eis-Kruste). - Institut für Weltraumforschung (IWF) der ÖAW: Offizielles Missionsarchiv Rosetta. (Abgerufen aus historischen Beständen).
- ESA Cosmos Archive: Planetary Science Archive (PSA), Rosetta Mission Data.