New Horizons ( für Neue Horizonte) ist eine Raumsonde der NASA, die im Rahmen des New-Frontiers-Programmes am 19. Januar 2006 startete, um das Pluto-System und den Kuipergürtel zu erforschen. Am 14. Juli 2015 erreichte New Horizons als erste Raumsonde Pluto. Außerdem passierte sie am 1. Januar 2019 das Kuipergürtelobjekt (486958) Arrokoth. Die Sonde erforscht zudem weitere Kuipergürtelobjekte aus größerer Entfernung sowie die Heliosphäre. Bei der Erforschung werden sieben verschiedene Instrumente eingesetzt: ein 6-cm-Teleskop, ein Ultraviolett-Spektrometer, eine hochauflösende CCD-Kamera, ein Radiowellenexperiment, ein Sonnenwind-Teilchen-Detektor, ein Ionen- und Elektronenspektrometer und ein Instrument zur Messung von Staubpartikeln.
Derzeit () ist die Sonde ca. Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt, das sind etwa Milliarden Kilometer.
Das Projekt wird vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland geleitet. Die Kosten einschließlich der Entwicklung und des Baus der Raumsonde sowie ihrer Instrumente, der Trägerrakete und des Missionsbetriebs bis zum Jahr 2016 betrugen etwa 700 Millionen US-Dollar.
mini|Start der New-Horizons-Mission am 19. Januar 2006
Missionsziele Primärmission mini|1994 vom Hubble-Weltraumteleskop erstellte Karte der Oberfläche des Pluto
New Horizons war die erste Raumsonde zur Erforschung Plutos. Da der Zwergplanet sehr weit von der Sonne entfernt ist, konnten selbst die stärksten Teleskope kaum Details auf seiner Oberfläche ausmachen. Die Auflösung der besten mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnenen Aufnahmen erreichten nur 500 km pro Bildpunkt. Somit konnten Pluto und seine Monde nur durch eine Raumsonde näher studiert werden. Zum Startzeitpunkt galt Pluto noch als vollwertiger Planet und war als einziger Planet noch von keiner Raumsonde erforscht worden. Wenige Monate nach dem Start wurde die Definition für Planeten geändert und Pluto wurde nach dieser neuen Definition zu einem Zwergplaneten.
Die NASA unterteilte die Ziele der Hauptmission der Sonde in drei Prioritätskategorien. Bei der Formulierung der Missionsziele waren die kleinen Pluto-Monde noch nicht entdeckt.
Erforderlich Beschreibung des globalen geologischen Aufbaus und der Geomorphologie von Pluto und Charon Kartierung der Zusammensetzung der Oberflächen von Pluto und Charon Beschreibung der neutralen (nicht ionisierten) Atmosphäre von Pluto und Bestimmung des Gasverlusts in den Weltraum
Wichtig Beschreibung der zeitabhängigen Veränderlichkeit der Oberfläche und der Atmosphäre von Pluto Stereoaufnahmen von Pluto und Charon Kartierung der Tag-Nacht-Grenzen (Terminator) von Pluto und Charon in hoher Auflösung Kartierung ausgewählter Oberflächengebiete von Pluto und Charon in hoher Auflösung Beschreibung der Ionosphäre Plutos und ihrer Wechselwirkung mit dem Sonnenwind Suche nach bestimmten chemischen Verbindungen wie Wasserstoff, Cyanwasserstoff, Kohlenwasserstoffen und Nitrilen in der oberen Atmosphäre Plutos Suche nach einer Atmosphäre bei Charon Bestimmung des bolometrisch Bondschen Albedos (das Verhältnis zwischen der in alle Richtungen reflektierten Sonnenenergie und der gesamten einfallenden Sonnenenergie) von Pluto und Charon Kartierung der Oberflächentemperaturen von Pluto und Charon
Wünschenswert Beschreibung der energiereichen Teilchen in der Nähe von Pluto und Charon Verfeinerung der bekannten Parameter (Radien, Massen, Dichten) und Umlaufbahnen von Pluto und Charon Suche nach Magnetfeldern bei Pluto und Charon Suche nach Planetenringen und weiteren MondenNasa Pressemappe vom Januar 2006, S. 11 (PDF; 1,3 MB).
Zu den Missionszielen gehörte auch die weitere Erforschung des Jupiters, an dem die Sonde im Februar und März 2007 vorbeiflog. Wolkenbewegungen wurden beobachtet, es wurde die Magnetosphäre des Planeten untersucht und Ausschau nach Polarlichtern und Blitzen in Jupiters Atmosphäre gehalten. Über die vier Galileischen Monde konnten nur wenige wissenschaftliche Daten gewonnen werden, da die Sonde sie in relativ großer Entfernung passierte.
New Horizons übertraf die Ziele aller Prioritätskategorien. Nach den Anforderungen der NASA hätte die Mission bereits als erfolgreich gegolten, wenn nur die als erforderlich eingestuften Missionsziele erreicht worden wären. Nicht untersucht wurde das Magnetfeld von Pluto und Charon, was als wünschenswert eingestuft war. Für eine sinnvolle Messung des vermutlich nur schwachen Magnetfelds hätte die gesamte Sonde nichtmagnetisch sein müssen, und so wurde aus Kostengründen auf ein entsprechendes Instrument verzichtet.
Zusätzlich zu den formulierten Missionszielen tragen die Instrumente mit Langzeitbeobachtungen zur Erforschung des Sonnenwinds und der Heliosphäre bei.
Kuiper Belt Extended Mission (KEM) Die NASA genehmigte Anfang Juli 2016 die Finanzierung einer Anschlussmission unter dem Namen Kuiper Belt Extended Mission (KEM) bis Ende 2021. Eines der Ziele dieser Mission war die Untersuchung des Kuipergürtel-Objekts (486958) Arrokoth, zum Zeitpunkt der Genehmigung noch unter der provisorischen Bezeichnung (486958) 2014 MU69. Als Ziele wurden genannt:
Ein dichter Vorbeiflug an Arrokoth in nur 3500 km Abstand, danach Fortsetzung der Beobachtung eine Woche lang Einsatz aller sieben Instrumente Die Aufnahmen im sichtbaren Licht und in anderen Spektralbereichen sollten entsprechend der größeren Nähe detaillierter als bei Pluto sein. Untersuchung der Oberflächenstrukturen Suche nach möglichen Monden Suche nach einer Atmosphäre
Die Beobachtung dieses Asteroiden sollte neue Erkenntnisse über die Akkretionsprozesse und damit die Entstehung der Planeten und des Sonnensystems liefern. Vermutlich ist das Objekt mehr als vier Milliarden Jahre alt und seit der Entstehung bahndynamisch kalt. Damit wäre es das ursprünglichste Objekt, das bis dahin von einer Raummission untersucht wurde.
New Horizons sollte darüber hinaus als Beobachtungsplattform genutzt werden, um andere Objekte im Kuipergürtel und den umgebenden Weltraumbereich zu beobachten:
2016–2020: Beobachtung von etwa 20 weiteren Kuipergürtelobjekten (Kuiper Belt Objects, KBOs) aus weiterem Abstand, um deren Form, begleitende Objekte und Oberflächeneigenschaften zu bestimmen; dies kann kein erdbasiertes Teleskop leisten. 2016–2020: Sorgfältige Suche nach Ringen um eine große Anzahl verschiedener KBOs 2016–2021: Erstellen eines heliosphärischen Querschnitts durch den Kuipergürtel mit nahezu permanenter Messung von Plasma, Staubpartikeln und neutralen Gasen bis zu einer Entfernung von 50 AE von der Sonne 2020–2021: Astrophysikalische Untersuchungen nach Wunsch der NASA Alle Ziele zum Vorbeiflug an (486958) Arrokoth wurden erfüllt. Seither wird intensiv mit erdbasierten Teleskopen nach einem weiteren Objekt für einen Vorbeiflug gesucht.
Kuiper Belt Extended Mission 2 (KEM 2) Am 25. April 2022 wurde eine Verlängerung der Mission um weitere drei Jahre bis 2025 bekanntgegeben, die wenig später aber um ein Jahr bis zum 1. Oktober 2024 verkürzt wurde. Die Sonde untersucht dabei den Bereich zwischen 54 and 75 AE. Die Mission nutzt den sonnenfernen Standort, um die Heliosphärenstrahlung zu beobachten und das diffuse Licht der Hintergrundstrahlung im optischen Bereich und im UV-Bereich zu untersuchen. Die Instrumente werden genutzt, um weitere Daten über die Atmosphären von Uranus und Neptun aus der Entfernung zu gewinnen. Die Treibstoffvorräte sollen dabei einen Weiterbetrieb für mindestens zwei Jahrzehnte sichern. Die neue Mission führt die Untersuchung der Heliosphäre nach Staubpartikeln und geladenen Partikeln des Sonnenwinds fort, die wenig technischen und personellen Aufwand verursachen, reduziert die Aktivität und die Betriebskosten der Sonde weiter und wird hauptsächlich aus NASA’s Planetary Science Division finanziert und gemeinsam von den Abteilungen Heliophysics and Planetary Science Divisions betrieben. Ziel ist, die gebundenen Mittel aus dem New Frontiers Programm für neuere Missionen freizugeben.
Missionsziele Übertragung der restlichen Daten von der Begegnung mit Arrokoth zur Erde Weitere Sammlung, Auswertung und Archivierung der Daten aus Planetologie, astrophysikalischen und heliosphärischen Daten Beobachtung von KBOs Untersuchung von Zwergplaneten aus hohem Phasenwinkel Untersuchung von Uranus und Neptun aus hohem Phasenwinkel Untersuchung der Hintergrundhelligkeit im sichtbaren und im UV-Licht Untersuchung des Zodiakallichts Untersuchung im Ultraviolett des lokalen interstellaren Mediums Weitere Suche nach einem Ziel für einen nahen Vorbeiflug Zusammenarbeit mit anderen heliophysikalischen Missionen zur Verbesserung der Datenlage
Technik mini|New Horizons – schematische Darstellung mini|Struktur der Raumsonde ohne RTG und Wärmeisolation
Die Raumsonde hat etwa die Größe eines Konzertflügels und die Form eines Dreiecks mit einem zylinderförmigen Radioisotopengenerator (RTG), der an einer Spitze des Dreiecks angebracht ist. Außerdem verfügt sie über eine 2,1-m-Parabolantenne zur Kommunikation mit der Erde, die an einer Seitenfläche des Dreiecks befestigt ist. Der Sondenkörper ohne RTG und Antenne ist 0,7 m hoch, 2,1 m lang und 2,7 m breit. Die Gesamthöhe vom Nutzlastadapter bis zum oberen Ende der Antenne beträgt 2,2 m. Die Gesamtmasse inklusive 77 kg Treibstoff und 30 kg wissenschaftlicher Nutzlast beträgt 478 kg. Die ursprünglichen Planungen sahen eine Startmasse der vollbetankten Sonde von 465 kg vor; nach der Verifizierung der Leistung der neuen Atlas-V-Trägerrakete durch vorangegangene Starts konnte die Startmasse etwas vergrößert werden.
Das Swing-by-Manöver am Jupiter stand bis kurz vor Start zur Disposition; ein Flug ohne dieses Swing-by hätte nur eine etwa 20 kg geringere Startmasse der Sonde erlaubt, da die Trägerrakete bei einem direkten Start zum Pluto eine höhere Endgeschwindigkeit erreichen muss. Man hätte in diesem Fall die Menge des mitgeführten Hydrazins reduzieren müssen, damit wären auch die Möglichkeiten für Sekundärmissionen eingeschränkt worden.
Die tragende Struktur der Sonde besteht aus einem zentralen Aluminium-Zylinder, der den aus Titan gefertigten Treibstofftank beherbergt und als Nutzlastadapter zwischen Sonde und Trägerrakete sowie als Schnittstelle zwischen Sonde und RTG dient. Der RTG ist mit Hilfe eines vierseitigen Titansockels an der Raumsonde befestigt. Um die Masse der Sonde gering zu halten, sind die Paneele des Sondenkörpers aus Aluminium in Sandwichbauweise mit sehr dünnen Frontalplatten gefertigt (so dick wie zwei Lagen Papier). Elektronik und Instrumente sind um den Zylinder herum gruppiert, wobei die Anordnung der Systeme auf die Schwerpunktlage Rücksicht nehmen musste.
New Horizons kann sowohl drei-Achsen-stabilisiert als auch spinstabilisiert betrieben werden. Drei-Achsen-Stabilisierung wird während wissenschaftlicher Beobachtungen und System- und Instrumententests angewandt, Spinstabilisierung (normalerweise mit fünf Umdrehungen pro Minute) während der Kurskorrekturmanöver, während langer Funkkontakte mit der Erde, während der Flugperioden und im Ruhezustand (hibernation mode). Um eine Spinstabilisierung während des Flugs zu ermöglichen, wurde die Sonde vor dem Start genau vermessen und mit zusätzlich angebrachten Ausgleichsgewichten ausbalanciert.
Energieversorgung mini|RTG der Raumsonde New Horizons Die Energieversorgung lässt sich bei sonnenfernen Missionen nicht mit Solarzellen erreichen. Die Sonde wird durch einen mit etwa 10,9 kg Plutonium-238 gefüllten Radioisotopengenerator (RTG) des Typs GPHS-RTG mit Energie versorgt. Die Spannung beträgt 30 Volt. Der RTG beinhaltet 18 wärmeabgebende Module, die jeweils vier Kapseln mit je 151 g Plutonium in Form von Plutonium(IV)-oxid enthalten.