MESSENGER: Die erste Sonde, die den mysteriösen Planeten besucht

Wissenschaftliche Ziele

Die MissionBOTE(MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging), das 2004 von der NASA ins Leben gerufen wurde, zielte darauf ab, die innere Struktur von Merkur, seine Oberflächengeologie, sein Magnetfeld und seine Exosphäre zu untersuchen. Die Sonde nutzte mehrere Gravitationsunterstützungen mit Erde, Venus und Merkur selbst, bevor sie am 18. März 2011 in die Umlaufbahn eintrat.

Die Ergebnisse zeigten eine schwefelreiche Kruste, einen metallischen Kern, der mehr als 80 % des Planetenradius einnimmt, ein um 20 % nach Norden verschobenes asymmetrisches Magnetfeld und eine Exosphäre aus Natrium, Kalium und Sauerstoff.

Schwierigkeiten bei der Annäherung an Merkur

Merkur ist der sonnennächste Planet mit einer durchschnittlichen Entfernung von etwa 0,39 Astronomischen Einheiten. Diese Nähe impliziert eine sehr hohe Sonnengravitation, was das Einsetzen in die Umlaufbahn äußerst energieintensiv macht.

Um eine Sonde in eine Umlaufbahn um Merkur zu bringen, reicht es nicht aus, auf den Planeten zuzusteuern: Es ist auch notwendig, die Umlaufgeschwindigkeit der Sonde relativ zur Sonne zu verringern, damit sie nicht direkt auf die Sonne projiziert wird. Das für die direkte Bremsung erforderliche Delta-V würde mehr als 15 km/s betragen, was die Fähigkeiten herkömmlicher chemischer Triebwerke bei weitem übersteigt.

Missionen wie MESSENGER verwenden daherDie Schwerkraft hilftin der Nähe der Erde, der Venus und des Merkur selbst, um die Umlaufenergie allmählich zu reduzieren und eine stabile Umlaufbahn zu erreichen. Diese Strategie ermöglicht es, den Treibstoffverbrauch zu reduzieren und die Massengrenzen der Sonde einzuhalten.

Darüber hinaus erfordert eine längere Einwirkung intensiver Sonneneinstrahlung einen ausgefeilten thermischen Schutz der Sonde. MESSENGER beispielsweise verwendete einen Hitzeschild und speziell einstellbare Solarpaneele, um seine Instrumente innerhalb eines betriebsbereiten Temperaturbereichs zu halten.

Hinweis: :
Die Kombination aus Sonnenanziehung, hoher Anfangsgeschwindigkeit und thermischen Einschränkungen macht Merkur zu einem der Planeten, die für eine Weltraummission am schwierigsten zu erreichen sind. Jedes Manöver muss hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Wärmeschutz optimiert werden.

Flugbahn und Orbitaldynamik

Die Annäherung von Merkur erforderte aufgrund der Sonnenanziehung eine außergewöhnliche Energiekontrolle. Die Sonde legte eine komplexe Reise von mehr als 7,9 Milliarden Kilometern zurück. Die Geschwindigkeitskorrekturen lagen in der Größenordnung einiger hundert m/s und wurden dank der Schwerkraftunterstützung optimiert. Das Energie/Masse-Verhältnis musste unter \( \Delta v \ approx 15 \, \text{km.s}^{-1} \) bleiben.

Hinweis: :
DEREnergie/Masse-Verhältnisdrückt in der Raumfahrt die spezifische Energie aus, also die pro Masseneinheit verfügbare Geschwindigkeitsschwankung (\( \Delta v \)). Für MESSENGER erforderte die Reduzierung der Orbitalenergie, um sich um Merkur zu positionieren, eine Reduzierung seiner spezifischen Energie um ungefähr30 km²/s²oder mehrere km/s Bremsen. Diese Einschränkung konnte nur durch den Einsatz aufeinanderfolgender Gravitationsunterstützungen eingehalten werden.

Rotation von Merkur

Merkur ist nicht drinsynchrone Rotationwie der Mond mit der Erde.

Wenn Merkur durch die Gezeitenwirkung vollständig blockiert wäre, würde er der Sonne immer die gleiche Seite zeigen (1:1 synchrone Rotation).

Allerdings zeigten Radarbeobachtungen in den 1960er Jahren, dass es schneller rotiert:58,65 Erdentagefür eine Wendung auf sich selbst.

Solange sein Umlauf um die Sonne andauert87,97 Erdentage, erhalten wir eine Resonanz3:2: 3 Umdrehungen für 2 Umdrehungen.

Das bedeutet, dass der Sonne immer derselbe Merkurmeridian zugewandt ist2 Umlaufzyklen(≈ 176 Erdentage).

Diese Resonanz ist das Ergebnis eines Kompromisses zwischen Gezeitenkräften und demOrbitale Exzentrizitätvon Merkur (\( e \ca. 0,206 \)). Das damit verbundene Gravitationspotential begünstigt einen stabilen Zustand im Verhältnis 3:2 statt 1:1.

Weltraummissionen zum Merkur

Quellen:NASA – MESSENGER-Mission, ESA – BepiColombo.