mini|Hera
Hera ist eine am 7. Oktober 2024 gestartete Raumfahrtmission der ESA zu dem erdnahen Doppelasteroiden Didymos/Dimorphos. Hera bildet einen Teil des Asteroid Impact & Deflection Assessment (AIDA), das entwickelt wurde, um auf die Bedrohung der Erde durch erdnahe Asteroiden reagieren zu können. Die Sonde Double Asteroid Redirection Test (DART) der NASA schlug am 26. September 2022 planmäßig auf Dimorphos ein. Im Anschluss daran kann Hera die Auswirkungen des Einschlags und die Möglichkeiten zur Ablenkung von Asteroiden im Detail ausloten.
Vorgeschichte Die Wurzeln des Projekts reichen zurück in das Jahr 2004 zu einem Bericht des Near-Earth Object Mission Advisory Panel (NEOMAP) der ESA: Die Erde werde durch erdnahe Asteroiden bedroht, und man empfahl der Behörde die Weiterverfolgung des Don-Quijote-Projekts. Das blieb in der Planungsphase stecken, jedoch wurden davon wesentliche Konzepte bei AIDA, AIM, DART und Hera übernommen.
Die Asteroid Impact Mission (AIM) sollte nach der Planung ein Teil von AIDA werden. Die Finanzierung für das Projekt wurde jedoch vom ESA-Ministerrat 2016 gestrichen und damit die Beteiligung an AIDA faktisch eingestellt. Anschließend beschloss die NASA, DART auf jeden Fall zu starten, falls notwendig auch ohne europäische Beteiligung.
Hera wurde 2018 schließlich das ESA-Nachfolgeprojekt von AIM, jedoch mit einem anderen Missionskonzept. Der Bau der Sonde und ihrer Begleitsatelliten wurde 2018 beschlossen und am 15. November 2020 an OHB vergeben.
Für AIDA wurde der Asteroid (65803) Didymos (Durchmesser 780 m) mit seinem ihn in einem Abstand von 1,2 km umkreisenden, mit einem Durchmesser von 160 m wesentlich kleineren Begleiter Dimorphos ausgewählt. DART schlug am 26. September 2022 um 23:14 Uhr UTC auf Dimorphos ein, und man konnte die Bahnveränderungen messen. Hera wird im November 2026 eintreffen und die Auswirkungen des Einschlags auf die Asteroiden analysieren.
Missionsziele Hera ist weniger eine Wissenschaftsmission zur Erforschung eines Asteroiden als vielmehr ein Teil des Weltraumsicherheitsprogramms der ESA im Rahmen von Space Safety, einer der vier „ESA Pillars“. Das primäre Ziel ist die Auslotung der Möglichkeiten zur Asteroidenabwehr. Die Mission wird daher aus Mitteln zur Verbesserung der Weltraumsicherheit finanziert und nicht aus dem Budget für Wissenschaftsmissionen. Die Säule Space Safety beschäftigt sich mit der Entdeckung, Beobachtung, Vorhersage und Abwehr möglicher Risiken durch Objekte oder Naturphänomene im Weltraum, die für das Leben auf der Erde oder die Infrastruktur im All gefährlich werden könnten.
Bestimmung der Auswirkungen von DART Für die Bestimmung der Wirkung von DART ist eine präzise Massenbestimmung des Asteroiden erforderlich. Der Impuls von DART ist bestimmt durch Masse, Geschwindigkeit und Richtung und somit bekannt, jedoch ist nicht bekannt, welcher Anteil des Impulses durch entweichendes Material aus dem System verschwindet. Ebenso ist es notwendig, dass die Menge des herausgeschleuderten Materials bestimmt wird und zu erfahren, welcher Anteil davon sich nach dem Einschlag auf den beiden Asteroiden wieder abgesetzt hat, außerdem muss abgeschätzt werden, wie stark das Material komprimiert wurde.
Technologietests Bei der Mission sollen neue Methoden zur Navigation und Lageregelung im Tiefraum getestet werden, zudem die Kommunikation in einem Netzwerk zwischen Hera, den Cubesats und den Bodenstationen. Die Signallaufzeiten zur Sonde und zurück sind bis zu 45 Minuten lang, somit muss die Sonde weitgehend autonom arbeiten. Getestet wird die autonome Annäherung an den Asteroiden in einem sehr schwachen Gravitationsfeld. Ein großer Teil der Tests bezieht sich dabei nicht auf die verschiedenen Instrumente und Raumfahrzeuge an sich, sondern auf die dabei verwendete Software zur Steuerung und Kommunikation. Die Systeme sollen in der Lage sein, die Daten von mehreren Sensoren und Raumfahrzeugen auszutauschen und gleichzeitig in Echtzeit auszuwerten, um damit ein genaues Bild von der Umgebung im Raum zu gewinnen. Die Software soll des Weiteren in Echtzeit Fehler erkennen, analysieren und Probleme eigenständig lösen können, ohne dass ein Eingreifen durch die Missionskontrolle notwendig ist.
Später sollen die getesteten Technologien bei der japanischen Mission Martian Moons Exploration zur Probenentnahme auf Phobos zur Anwendung kommen. Sie sollen die Entwicklung von flexibel ausgestatteten, mit verteilten Systemen arbeitenden Raumfahrzeugen vorbereiten, die wechselnde Aufgaben erledigen können und damit neuartige interplanetare Missionen ermöglichen. Insgesamt wird der technologische Reifegrad vieler Komponenten erhöht, wovon nachfolgende Missionen profitieren können. Der Hera-Satellitenbus mit jeweils zwei kleinen Cubesats wird auch bei den ESA-Tiefraumissionen Ramses und Comet Interceptor eingesetzt.
Asteroidenforschung Daneben liefert die Mission auch wissenschaftliche Beiträge zur Erforschung der Asteroiden.
Erste direkte Annäherung an einen binären erdnahen Asteroiden. Erste Untersuchung unterhalb der Oberfläche und der inneren Eigenschaften eines Asteroiden Erfassung der Oberflächenstruktur und der Beweglichkeit von Regolith auf (65803) Didymos und Dimorphos. Einsicht, wie die Materialeigenschaften mit der Entstehung des Asteroiden zusammenhängen. Vergleich der Oberflächen von zwei Körpern von unterschiedlicher Größe und Oberflächengravitation am selben Ort. Direkte Messung der Eigenschaften eines Asteroiden, der sich an der Grenze zwischen Zusammenhalt durch Gravitation und Zusammenhalt durch andere Kräfte befindet. Untersuchung eines Asteroiden, dessen Umdrehungsgeschwindigkeit nahe an der Stabilitätsgrenze ist. Erste Untersuchung eines Kraters vor Ort, bei dem der Impuls (Masse, Geschwindigkeit und Richtung) des Einschlagkörpers genau bekannt ist. Untersuchung von frischem Material, das noch nicht lange der Verwitterung ausgesetzt war. Antwort auf die Frage, warum der Krater, der durch den Impactor von Hayabusa2 ausgelöst wurde, größer wurde als vorausberechnet. Wurde dieses durch die Schwerkraft bedingt oder ist die Theorie zur Formung von Kratern unter schwacher Schwerkraft fehlerhaft? Darüber hinaus sollte während des Anflugs zu Didymos ein naher Vorbeiflug an einem weiteren Asteroiden versucht werden. Dabei sollten die Instrumente getestet und kalibriert und Daten über den Asteroiden gesammelt werden. Das mögliche Ziel hing vor allem vom Startdatum und der Flugbahn beim Verlassen der Erdumlaufbahn ab. Nach dem Start fand sich kein passendes Objekt für einen Vorbeiflug, aber man konnte den Marsmond Deimos untersuchen.
Raumfahrzeug Die Mission soll sowohl wenig Kosten verursachen als auch innovativ sein. Es wurden dabei hauptsächlich bereits bewährte Bauteile verwendet. Beim Design wurden Erfahrungen aus der Rosetta-Mission zu dem Kometen Tschurjumow-Gerassimenko berücksichtigt. Ein Großteil der Innovation besteht in den Softwarekomponenten und der dadurch verbesserten Autonomie des Raumfahrzeugs. Eines der Ziele hierbei war, zu verhindern, dass die Sonde zu irgendeinem Zeitpunkt automatisch in den Sicherheitsmodus wechselt. Die Gefahr wäre dabei zu groß, dass sie sich aus dem schwachen Gravitationsfeld herausbewegt oder auf einem der beiden Asteroiden aufschlägt, noch bevor der Fehler analysiert oder behoben ist.
Das Gehäuse hat die Maße von 2,2 × 2 × 1,8 m, die beiden Solarmodule verfügen zusammen über eine Fläche von 8,7 m². Am Ziel beträgt die Sonneneinstrahlung noch 17 % der Einstrahlung bei der Erde. Die Sonde an sich wiegt 350 kg, voll betankt besitzt sie eine Startmasse von 870 kg. Der Antrieb basiert auf Hydrazin.
Kommunikation Es gibt zwei omnidirektionale X-Band-Niedergewinnantennen. Hera verfügt über eine Hauptantenne für X-Band-Kommunikation. Die 113-Zentimeter-Hochgewinnantenne besteht aus Kohlenstofffasern und wurde von High Performance Space Structure Systems GmbH (HPS) in München hergestellt. Die Antenne ist eine etwas vergrößerte Version der Antenne, die für Euclid entwickelt wurde. Die Antenne hat einen sehr kleinen Öffnungswinkel von 0,5°, nur sehr kleine Nebenkeulen und muss daher sehr präzise ausgerichtet werden, erreicht aber dafür einen hohen Antennengewinn. Sie wird in Entfernungen von bis zu 400 Mio. km bzw. 2,6 AE von der Erde eingesetzt. Die Hochgewinnantenne nutzt zwei Wanderfeldröhren mit jeweils 70 Watt Sendeleistung, dazu kommen zwei kleine Sender für die beiden Niedergewinnantennen.
Hera soll darüber hinaus mit zwei omnidirektionalen Sendern und zwei Patchantennen im S-Band mit den Cubesats im S-Band kommunizieren und mit Dopplermessungen das Schwerefeld vermessen. Die Cubesats haben keine Richtantenne und nur schwache Sender. Die Signale der Cubesats werden von Hera als Relaisstation empfangen und zur Erde weitergesendet.
Bau Der Auftrag zum Bau der Sonde mit einem Volumen von knapp 130 Millionen Euro wurde am 15. September 2020 an OHB in Bremen vergeben.
Bodensegment Die Missionskontrolle (MOC) für den Start, LEOP und die gesamte Mission liegt bei ESOC in Darmstadt. Für die kritische LEOP wurde das ESTRACK-Antennennetzwerk von den Stationen Goldstone und Canberra des DSN mit Telemetriedaten unterstützt. Während Hera selbst im ESOC gesteuert wird, so haben die beiden Cubesats jeweils eigene Missionsteams, die im ESEC in Redu beheimatet sind und von dort aus unterstützt werden.
Start Die Sonde startete von der Cape Canaveral Space Force Station in Florida, USA, am 7. Oktober 2024 um 14:52 UTC mit einer SpaceX Falcon 9 Trägerrakete. Der Start verlief in allen Stufen nominal. Der Booster musste in diesem Fall die maximale Treibstoffmenge einsetzen und konnte aus diesem Grund nicht wiederverwendet werden und trat in eine suborbitalen Flugbahn ein. Die zweite Stufe brachte die Sonde wie geplant in zwei Brennphasen auf eine Fluchtgeschwindigkeit und in eine Sonnenumlaufbahn.
Vorbeiflug an Mars und Deimos Am 12. März 2025 erfolgte ein Vorbeiflug an Mars in einer Entfernung von 5000 km, dabei gelangen Aufnahmen vom Mars-Mond Deimos aus einer Entfernung von 1000 km. Der Vorbeiflug wurde genutzt, um drei Instrumente an der Marsoberfläche und an Deimos zu testen. Getestet wurde die Erkennung von Oberflächenmerkmalen mit der Asteroid Framing Camera, die für die autonome Ausrichtung der Sonde und die Navigation genutzt wird. Die Hyperscout Hyperspektralkamera wurde ebenfalls eingesetzt. Die Aufnahmen zeigen die Leistungsfähigkeit der Kamera und können für die Kalibrierung genutzt werden. Getestet wurde außerdem die Infrarotkamera. Das Altimeter war außerhalb der Reichweite für einen Test.
Der Vorbeiflug beschleunigte die Sonde in Richtung Didymos, sparte Treibstoff und verkürzte die Flugdauer um mehrere Monate. Die von Deimos gewonnenen Daten fließen ein in die Planung von Martian Moons eXploration.
Bis zum Sommer 2026 wurde eine neue Software für mehr Autonomie der Sonde und für den Betrieb der Instrumente hochgeladen, anschließend erfolgte ein Neustart der Bordcomputer.
Instrumente Asteroid Framing Camera Die Asteroid Framing Camera (AFC) stammt von Jena-Optronik in Deutschland und beruht auf der ASTROhead-Kamera, allerdings mit einer an die Hera-Mission angepassten Optik. Die ASTROhead hat sich bereits bei anderen Missionen bewährt und wurde unter anderem auf dem Mission Extension Vehicle von Northrop Grumman eingesetzt. Sie hat somit ein TRL von 9. Da die Kamera missionskritisch ist und sowohl zur Navigation als auch für die Abbildung der Asteroiden dient, sind zwei redundante Kameras verbaut, die vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen gespendet wurden. Die beiden Kameras wiegen je 1,3 kg und benötigen 1.3 W elektrische Leistung für den Betrieb. Ein Testmodell der Kamera wurde Anfang 2019 an GMV in Spanien ausgeliehen, das die Navigationssoftware entwickelt.