Chang’e 5 () ist eine unbemannte Raumsonde der Volksrepublik China zur Monderkundung, die am 23. November 2020 um 20:30 Uhr (UTC) gestartet wurde. Am 1. Dezember 2020 um 15:11 Uhr landete die Sonde nordöstlich des Vulkanmassivs Mons Rümker im Oceanus Procellarum. Von dort brachte sie am 16. Dezember 2020 1731 g Mondstaub- und Gesteinsproben zurück zur Erde. Enthält Foto des Probenbehälters. Chang’e 5 war Chinas erste Rückführmission und die erste Rückführmission für Mondproben seit der sowjetischen Luna-24-Mission im Jahr 1976.
Das von der Sonde zurückgebrachte Gestein ist mit 1,96 Milliarden Jahren das bislang jüngste Material vom Mond, fast eine Milliarde Jahre jünger als die bei den Apollo- und Luna-Missionen gesammelten Proben. Durch eine Kombination des radiometrisch ermittelten Alters der Bodenproben mit der Zahl der Krater an der Landestelle konnte die von Gerhard Neukum 1983 geschaffene Methode zur Altersbestimmung einer planetaren Oberfläche anhand der Einschlagdichte verbessert werden. Die neue, vom Institut für Informationsgewinnung durch Luft- und Raumfahrt entwickelte Methode ergibt in den meisten Fällen ein höheres Alter, mit einer maximalen Differenz von 200 Millionen Jahren im Vergleich zum Neukum-Modell.
Übersicht Das am 24. Januar 2004 von Premierminister Wen Jiabao nach dreizehnjährigen Vorbereitungsarbeiten offiziell gestartete Mondprogramm der Volksrepublik China besteht aus den Drei Großen Schritten ():
Unbemannte Erkundung Bemannte Landung Stationierung einer ständigen Besatzung
Die Mission Chang’e 5 bildet den Abschluss des Ersten Großen Schritts, der wiederum in die Drei Kleinen Schritte (小三步) unterteilt ist:
Beim Ersten Kleinen Schritt wurde mit Chang’e 1 im Jahr 2007 und Chang’e 2 im Jahr 2010 die Mondumlaufbahn erreicht. Beim Zweiten Kleinen Schritt erfolgte die Landung auf dem Mond und die Erkundung mit einem Rover. Diese Phase umfasst die Mission Chang’e 3 (2013) und die Mission Chang’e 4 auf der Mondrückseite ab Januar 2019. Beim Dritten Kleinen Schritt wurden nun mit Chang’e 5 Proben von der erdzugewandten Mondseite gesammelt und zur Erde gebracht. Mit Chang’e 5-T1 war bereits der Wiedereintritt der Raumkapsel in die Erdatmosphäre aus einer Mondbahn erfolgreich getestet worden.
Mit diesen Missionen soll eine bemannte Mondlandung in den 2030er-Jahren und in fernerer Zukunft eine dauerhaft besetzte Mondbasis am südlichen Rand des Südpol-Aitken-Beckens auf der Rückseite des Mondes vorbereitet werden. So denkt man zum Beispiel darüber nach, aus dem Eisen(III)-oxid im Oberflächenmaterial des Mondes Sauerstoff zu gewinnen.
Ablauf der Mission Die gut 8 m hohe Sonde wurde von der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie gebaut und nach der chinesischen Mondgöttin Chang’e benannt. Beim Start hatte die Sonde eine Masse von insgesamt 8,25 t, davon 5,45 t diergoler Treibstoff. Die Sonde bestand aus vier Modulen: dem in betanktem Zustand 3,8 t schweren Lander, der zirka 2 kg Gestein einsammeln sollte einer 500 kg schweren Aufstiegsstufe, die die Proben zurück in eine Mondumlaufbahn brachte dem Orbiter, an den die Aufstiegsstufe mit einem automatischen Rendezvousmanöver andockte der 300 kg schweren Wiedereintrittskapsel, die die Proben zur Erde zurückbrachte
Als Trägerrakete wurde die Langer Marsch 5 gewählt. Nach dem Fehlstart einer solchen Rakete am 2. Juli 2017 wurde die bereits fertig getestete und startbereite Sonde in einer Halle der Entwicklungs- und Produktionsbasis für übergroße Raumflugkörper der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie in Tianjin eingelagert. Anfang März 2020 wurde die Sonde erneut überprüft.
Start und Einschwenken in eine Mondumlaufbahn mini|Die Trägerrakete beim Start
Am 23. November 2020 um 20:30:12 Uhr UTC (24. November, 04:30:12 Uhr Ortszeit) startete die Sonde vom Kosmodrom Wenchang. Einer der Gründe für die Wahl des Startfensters weit nach Mitternacht war das Wetter auf Hainan. Zu dieser Zeit weht relativ wenig Wind und es gibt kaum Wetterumschwünge. Vor Sonnenaufgang ist die Wolkendecke am dünnsten, was weniger Dämpfung für die Übertragung der Telemetriedaten auf dem Mikrowellenband bedeutet. Durch die dünne Wolkendecke ist die Bahnverfolgung mit Teleskopen einfacher, ebenso ist die Überwachung der Form der Triebwerksflammen für Fehleranalysen bei eventuellen Unfällen in der Nacht einfacher, als mit einem hellen Himmel im Hintergrund.
Nach der Abtrennung der ersten Stufe zündete die zweite Stufe und brachte die Sonde in einen Parkorbit, wo sie für eine kurze Zeit antriebslos verblieb. Dann zündete die zweite Stufe erneut und brachte die Sonde auf den Transferorbit zum Mond. Nach zwei planmäßigen Bahnkorrekturmanövern am 24. und 25. November kam die Sonde am 28. November 2020 nach 112 Stunden Flugzeit beim Mond an. Um 12:58 UTC wurde in einer Entfernung von 400 km von der Mondoberfläche das 3-kN-Triebwerk des Orbiters für 17 Minuten gezündet. Dadurch bremste die Sonde auf weniger als die Fluchtgeschwindigkeit (2,3 km/s) des Erdtrabanten ab, sie wurde in das Schwerefeld des Mondes gezogen und schwenkte wie geplant in einen langgestreckten Orbit mit einer Umlaufzeit von acht Stunden ein. Nach drei Mondumkreisungen fand am 29. November um 12:23 Uhr UTC ein weiteres Bremsmanöver statt und die Sonde wurde in einen kreisförmigen Orbit von 200 km Höhe abgesenkt. Hierbei wurde auch die Bahnneigung zum Äquator des Mondes leicht geändert.
Mondlandung
mini|350px|Landestelle von Chang’e 5 nahe dem Massiv Louville ω (gesprochen: Louville Omega) westlich der Mondrille Rima Sharp mini|300px|LRO-Bild vom 2. Dezember 2020 mit dem Lander und der darauf befindlichen Aufstiegsstufe
Als Ort der Probenentnahme war Oceanus Procellarum im Nordwesten der Mondvorderseite gewählt worden. Neben praktischen Erwägungen wie dem relativ flachen Gelände, das eine sichere Landung ermöglicht, und der guten Sonneneinstrahlung, also ausreichenden Energieversorgung, erhoffte man sich von dieser Landestelle einen besseren Einblick in die vulkanische Aktivität auf dem Mond. Nach Auswertung von Bodenproben, die von sowjetischen Sonden und Apollo-Astronauten aus Gebieten weiter im Osten zurückgebracht worden waren, nahm man an, dass das Maximum der vulkanischen Aktivität vor 3,5 Milliarden Jahren erreicht wurde, dann aber ab dem Beginn des Eratosthenischen Zeitalters vor 3,15 Milliarden Jahren langsam schwächer wurde. Neuere Beobachtungen aus dem Orbit legen aber den Verdacht nahe, dass es noch vor ein oder zwei Milliarden Jahren aktive Vulkane gegeben haben könnte. Falls sich in den von Chang’e 5 zurückgebrachten Bodenproben größere Mengen der hitzeerzeugenden radioaktiven Elemente Uran und Thorium gefunden hätten, hätte dies das Verständnis jener Prozesse und des inneren Aufbaus des Mondes verbessert. Ein internationales Forscherteam um Liu Dunyi (刘敦一, * 1937) und Alexander Nemchin musste bei einer Analyse von zwei Basaltstückchen im Sommer 2021 jedoch feststellen, dass es in dem mit 1,96 Milliarden Jahre tatsächlich eher jungen Magma keinen erhöhten Gehalt von radioaktiven Elementen gab. Dies widerlegte die bisherigen Annahmen zum Vulkanismus auf dem Mond, und man ist nun auf der Suche nach alternativen Erklärungen.
Da die Temperatur auf der Mondoberfläche zwischen 127 °C bei direkter Sonneneinstrahlung und −183 °C während der Mondnacht schwankt, befürchteten die Ingenieure um Projektleiter Lai Xiaoming (赖小明), dass die Schaufel- und Bohrgeräte mit ihren mechanischen Armen durch Ausdehnung und Kontraktion des Metalls Schaden nehmen könnten. Deswegen versuchte man, die gesamte Mission innerhalb eines Mondtages durchzuführen.
Am 27. November 2020 ging an der vorgesehenen Landestelle, dem Vulkanberg-Massiv Mons Rümker, die Sonne auf. Am 29. November 2020 um 20:40 Uhr UTC koppelte der Lander mit der darauf montierten Aufstiegsstufe vom Orbiter ab und leitete den Landeanflug ein. Nach der Trennung vom Orbiter in einer Höhe von 200 km musste der Lander mit der darauf montierten Aufstiegsstufe seine Umlaufbahn noch in zwei Stufen absenken.
Am 1. Dezember 2020 um 14:57 UTC wurde der eigentliche Landevorgang eingeleitet. Das regelbare Haupttriebwerk des Landers (siehe unten) reduzierte schrittweise die horizontale Geschwindigkeit der Sonde von 1,7 km/s auf Null, während sie sich gleichzeitig aufrichtete. Wie bei den beiden Vorgängersonden Chang’e 3 und Chang’e 4 hielt der autonom agierende Lander etwa 100 m über dem Boden kurz inne, um sich mittels seines dreidimensional abbildenden Laserscanners einen Überblick über das Terrain zu verschaffen. Der Lander suchte sich selbstständig einen ebenen und von Felsbrocken freien Platz – da der Lander später als Startrampe für die Aufstiegsstufe fungieren sollte (siehe unten), war dies noch wichtiger als bei den Vorgängersonden – auf den er sich dann langsam absenkte, möglichst jegliche Staubentwicklung vermeidend. Nach 14 Minuten, um 15:11 UTC, setzte Chang’e 5 auf dem Mond auf. Die genaue Landestelle liegt bei 51,837° westlicher Länge und 43.099° nördlicher Breite, in der Ebene nordöstlich des Mons Rümker und 20 km westlich der Mondrille Rima Sharp nahe dem Massiv Louville Omega, das am 19. Mai 2021 von der Internationalen Astronomischen Union nach dem Gebirge Heng Shan in Hunan in Mons Heng umbenannt wurde. Nach der Landung klappte die Sonde ihre Solarmodule sowie die Richtantenne aus.
Probenentnahme Nach der Landung und der Entfaltung der Solarmodule wurde zunächst die Verriegelung des Bohrmechanismus gelöst, dann begann die Sonde mit ihrem Kernlochbohrer (siehe unten) eine Bodenprobe zu entnehmen. Mit dem Bodenradar des Landers hatte man festgestellt, dass sich unter der Landestelle verborgen nicht nur eine Felsplatte befand, sondern auch mehrere Schichten mit kleineren Felsbrocken. Wenn letztere unbeschädigt in den Bohrkern gelangt wären, hätten sie in dem Aramidschlauch harte „Knoten“ gebildet, die das Aufwickeln behindern hätten können. Daher entschloss man sich nach Abwägung aller Faktoren, wie zum Beispiel auch des Stromverbrauchs beim Bohren durch die harte Felsplatte, anstatt der angestrebten 2 m nur 1 m in die Tiefe zu gehen. Das verlief dann auch ohne Probleme. Der von dem Aramidschlauch geschützte Bohrkern wurde aufgewickelt und in einem zylinderförmigen Transportbehälter verstaut, Enthält eine graphische Darstellung des Verladevorgangs mit dem aufgewickelten Bohrkern. der versiegelt wurde, um eine Vermischung mit den anderen Bodenproben zu verhindern. Dieser Vorgang war nach zwei Stunden am 1. Dezember 2020 um 20:53 Uhr UTC abgeschlossen. Danach begann die Sonde, mit ihrer Baggerschaufel an 12 Stellen im Umkreis des Landers Proben von Oberflächenmaterial zu nehmen, was insgesamt 15 Stunden dauerte. Jede Schaufel voll Regolith wurde in einem Probenröhrchen einzeln verpackt und diese dann in einem weiteren, vom Forschungsinstitut 510 der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie in Lanzhou entwickelten Transportbehälter untergebracht. Auch dieser Zylinder wurde anschließend gasdicht versiegelt. Am 2. Dezember 2020 um 14:00 Uhr war die gesamte Probenentnahme abgeschlossen. Enthält Video von der Probenentnahme.
Über die Zusammensetzung des Gesteins in der Landezone lagen vor der Landung Ergebnisse von Fernerkundungsmessungen vor. Demnach handelt es sich um Basalt mit einem niedrigen Titangehalt. Es enthält einen Massenanteil von etwa 6 bis 9 Prozent Titan(IV)-oxid (TiO2), der Anteil an Eisen(II)-oxid (FeO) in der Basaltregion liegt dagegen bei etwa 17,5 Prozent. Genaueren Aufschluss darüber sollten die Bodenproben ergeben. Das Landegebiet steht dahingehend in einem größeren geologischen Kontext, da das Plateau mit geschätzten 1,3 Milliarden Jahren relativ jung ist. Der größte Teil des Mondvulkanismus ereignete sich hingegen vor etwas mehr als 2 Milliarden Jahren, also 700 Millionen Jahre zuvor.
Rückstart mini|Probenentnahme und Rückflug