Innovativ – mit diesem Stichwort lassen sich viele der technischen Einrichtungen von SMART-1 beschreiben.
Autor: Michael Stein. Vertont von Dominik Mayer.
Aber natürlich sind sie nicht nur Selbstzweck technikverliebter Ingenieure. Bei der ESA ist das (nicht) zur Verfügung stehende Geld ein wichtiger Motor dieser Neuentwicklungen gewesen, denn mit Hilfe der an Bord von SMART-1 erstmals zum praktischen Einsatz kommenden Neuerungen sollen zukünftige interplanetare Forschungsmissionen nicht nur leistungsfähiger, sondern auch kostengünstiger werden.
Im Folgenden werden die wichtigsten der bei SMART-1 (= Small Missions for Advanced Research in Technology) zum Einsatz kommenden neuartigen Geräte und Instrumente näher beschrieben.
(Grafik: ESA)
Der Ionen-Antrieb
Ein, wenn nicht sogar das Highlight von SMART-1 ist sicherlich sein revolutionäres Antriebskonzept. Konventionelle Antriebselemente finden sich hier nur noch bei den Steuerdüsen, die mit chemischem Treibstoff arbeiten. Der Hauptantrieb der Raumsonde jedoch ist ein so genannter Ionen-Antrieb, der elektrisch geladenes (= ionisiertes) Xenon-Gas mit Hilfe eines Magnetfelds beschleunigt und ausstößt. Da das ionisierte Xenon-Gas im Vergleich zu konventionellen chemischen Triebwerken mit mehrfach höherer Geschwindigkeit das Triebwerk verlässt ist auch der so genannte „Spezifische Impuls“ deutlich größer. Da im Fall von SMART-1 die elektrische Energie für den Betrieb des Ionen-Triebwerk durch Solarzellen erzeugt wird spricht man hier auch von einem „solar-elektrischen Antrieb“.
Obwohl Ionen-Antrieb schon lange bekannt sind und erste Satelliten bereits in den 1960er Jahren mit dieser Antriebsart experimentierten konnte erst in den letzten Jahren der Einsatz solcher Triebwerke ernsthaft in Erwägung gezogen werden. Die Ursache für diese jahrzehntelange Pause hat in erster Linie mit dem Energieverbrauch von Ionen-Triebwerken zu tun. Erst die neuesten Solarzellen sind in der Lage ausreichend Energie für den Betrieb solcher Triebwerke zu liefern – das Ionen-Triebwerk von SMART-1 etwa benötigt rund 1.300 Watt, um im Laufe der Mission die mitgeführten 84 Kilogramm Xenon-Treibstoff zu „verbrennen“.
Ein Ionen-Antrieb kann wegen seiner deutlich anderen Charakteristik einen konventionellen chemischen Antrieb nicht immer ersetzen – zum Leidwesen der Ingenieure, denn die größere Effizienz des Ionen-Antriebs hat den positiven Effekt, dass die an Bord einer Raumsonde oder eines Satelliten mitgeführte Treibstoffmenge gegenüber der Verwendung von konventionellen Antrieben erheblich reduziert werden kann (auch das Ionen-Triebwerk selbst ist sehr klein und leicht, im Fall von SMART-1 wiegt es gerade einmal zehn Kilogramm). Und da in der Raumfahrt jedes eingesparte Kilogramm Masse auch eingespartes Geld bedeutet – die Überwindung der Erdanziehungskraft ist ein aufwendiges und teueres Unterfangen – wäre es natürlich wünschenswert, ganz auf chemische Antriebe verzichten zu können. Das geht aber leider nicht, denn Ionen-Triebwerke entwickeln nur einen winzigen Bruchteil der Schubkraft, die ein konventionelles Raketentriebwerk durch die Verbrennung der chemischen Treibstoffe liefert. Während beispielsweise die beiden Feststoff-Booster einer Ariane 5-Rakete während der Startphase zusammen 1.370 Tonnen Schub aufbauen ist der vom SMART-1-Triebwerk gelieferte Schub vergleichbar mit dem Druck, den eine auf der Handfläche liegende Postkarte ausübt.
Der geringe Schub eines Ionen-Triebwerks ist jedoch nicht per se ein Nachteil: Um sehr präzise Kurskorrekturen beispielsweise während der Reise von SMART-1 zum Mond vornehmen zu können eignet sich ein Ionen-Triebwerk gerade wegen seiner geringen Schubkraft extrem gut. Außerdem kann es über einen Zeitraum von Wochen und Monaten hinweg aktiv sein, der von der NASA (mit einem Ersatz-Motor der Deep Space 1-Raumsonde) aufgestellte Rekord liegt bei einer Betriebsdauer von annähernd fünf Jahren!
Für die ESA-Ingenieure gibt es viele Fragen, die sie durch SMART-1 beantwortet haben möchten: Wie verhält sich das vom französischen SNECMA-Konzern gelieferte PPS-1350-Ionen-Triebwerk im Dauerbetrieb? Welche Wechselwirkungen treten mit den Instrumenten der Raumsonde auf? Wie wird die Leistung des Triebwerks durch Magnetfelder im Weltraum und solare Protuberanzen beeinflusst? Um die zur Beantwortung dieser Fragen notwendigen Daten zu erhalten sind zwei Instrumente an Bord von SMART-1 angebracht, die über mehrere Sensoren verfügen und Messdaten aufzeichnen: Das Electric Propulsion Diagnostic Package (EPDP) sowie das Spacecraft Potential, Electron and Dust Experiment (SPEDE). Während EPDP ausschließlich für die Überwachung der Effekte des Ionen-Triebwerks konzipiert ist wird SPEDE (zwei Sensoren, die an zwei je 60 Zentimeter langen Auslegern angebracht sind) in den Phasen, in denen das Triebwerk nicht arbeitet, auch für die Messung des interplanetaren Plasmas im Umfeld der Raumsonde verwendet werden.
Die nächste Raumsonde der ESA, die mit einem Ionen-Antrieb ausgestattet werden soll, wird die Mission BepiColombo zum innersten Planeten unseres Sonnensystems Merkur sein. Der Start dieser Mission ist für das Jahr 2011 vorgesehen, so dass die mit SMART-1 gewonnenen Erfahrungen beim Betrieb eines Ionen-Triebwerks noch in die Konzeption der Raumsonde eingehen können.
Teilautonome Navigation
Um bei längeren interplanetaren Forschungsmissionen den Bedarf an Navigation durch die Missionsspezialisten – und die damit verbundenen Kosten – zu reduzieren wird SMART-1 neue Verfahren testen, um autonom Navigationsentscheidungen zu treffen. Das Experiment OBAN (OnBoard Autonomous Navigation) wird hierzu mit Hilfe einer Kamera an Bord regelmäßig Aufnahmen verschiedener kosmischer „Funkfeuer“ machen und unter Berücksichtigung zusätzlicher Informationen des Lagekontrollsystems mit Hilfe traditioneller geometrischer Verfahren seinen Kurs überprüfen und selbständig notwendige Kurskorrekturen veranlassen. Im Falle von SMART-1 werden die Erde, der Mond und eventuelle einige Asteroiden ist von OBAN genutzten „Funkfeuer“ sein.
(Grafik: ESA)
Neue Kommunikationswege
Ein anderes Gebiet, auf dem SMART-1 wichtige Grundlagen-Erprobungen leisten soll, wird die Kommunikation sein. Hier sind es zwei Experimente, deren Verlauf für zukünftige Missionen wichtig sein wird. Zum einen ist da KaTE (Deep Space X/Ka-band Telemetry and Telecommand Experiment), ein Experiment zur Daten- und Telemetrieübermittlung im so genannten Ka-Band. Bisher senden die meisten interplanetaren Raumsonden im so genannten X-Band (8 GHz) Daten zur Erde, doch zukünftig versprechen sich die Missionsplaner durch den Umstieg auf das höherfrequente Ka-Band (32/34 GHz) gleich zwei Vorteile: Einerseits ist für die Datenübermittlung mit einer gegebenen Übertragungsrate weniger Energie als im X-Band notwendig (und Energie ist bei Raumsonden üblicherweise ein knappes Gut), und andererseits erlaubt der Umstieg auf eine höherfrequente Datenübertragung deutlich höhere Datenraten – unabdingbare Voraussetzung für den Einsatz immer besserer Instrumente und Kameras, die natürlich ob ihrer ständig verbesserten Auflösung und Sensitivität auch immer größere Datenmengen produzieren, die schließlich zur Erde übertragen werden müssen.
Das andere Kommunikations-Experiment namens Laser Link schließlich soll die Praktikabilität und Effizienz einer Kommunikation mittels Laser zwischen SMART-1 und einer Bodenstation auf Teneriffa testen. Bisher wurde diese Kommunikationsform, die sich für die schnelle Übertragung großer Datenmengen hervorragend eignet, bereits erfolgreich zwischen den beiden Satelliten SPOT 4 und Artemis demonstriert, als vom französischen Erdbeobachtungssatelliten SPOT 4 Aufnahmen per Laser zum Kommunikationssatelliten Artemis gesendet wurden. SMART-1 wird während seiner Mission die Datenübertragung per Laser über verschiedene, deutlich größere Entfernungen als bisher praktiziert testen.
Miniaturisierung
An Bord von SMART-1 werden darüber hinaus mehrere Instrumente und Kameras getestet, die außerordentlich hoch integriert und miniaturisiert sind. Wenn die Ergebnisse dieser Instrumente – wie beispielsweise die AMIE-Kamera und das SIR-Spektrometer – den Erwartungen entsprechen sollten werden diese und vergleichbar miniaturisierte Instrumente auch in zukünftigen ESA-Forschungsmissionen zum Einsatz kommen.
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