Cassini-Huygens war die Mission zweier Raumsonden zur Erforschung des Planeten Saturn und seiner Monde. Bei Cassini handelte es sich um einen Orbiter, der im Auftrag der NASA vom Jet Propulsion Laboratory gebaut wurde, um die Objekte aus einer Umlaufbahn um den Saturn zu untersuchen. Huygens wurde als Lander konzipiert und von Aérospatiale im Auftrag der ESA unter Beteiligung der italienischen Raumfahrtagentur ASI konstruiert.

Die gekoppelten Sonden wurden am 15. Oktober 1997 vom Launch Complex 40 auf Cape Canaveral mit einer Titan-IVB-Rakete gestartet. Am 1. Juli 2004 schwenkte Cassini in die Umlaufbahn um Saturn ein, und am 14. Januar 2005 landete Huygens drei Wochen nach der Trennung von Cassini auf Titan für Messungen in der Atmosphäre und auf der Oberfläche. Orbiter können nur eingeschränkt die Titanatmosphäre mit ihren Fernerkundungsinstrumenten durchdringen. Huygens sendete 72 Minuten lang Daten, die das Verständnis über den Mond deutlich verbesserten.

Der Cassini-Orbiter lieferte mit seiner umfangreichen Ausstattung an wissenschaftlichen Instrumenten viele neue, teils revolutionäre Erkenntnisse in Bezug auf Saturn und seine Monde. Die Mission wurde mehrfach verlängert und endete am 15. September 2017 mit dem geplanten Absturz der Sonde in den Saturn, wobei sie verglühte.

Vorgeschichte mini|Cassini während der Montage

Entwicklung Die beiden Sonden Voyager 1 und Voyager 2 starteten 1977 und erreichten Saturn 1980. Schon kurz nach diesem Erfolg wurde eine Mission zu Saturn und Titan in Betracht gezogen. Im Jahre 1983 stellte das Solar System Exploration Committee eine Studie vor. Diese sah vier Planetenmissionen bis zum Jahr 2000 vor. Bei dem Komitee handelte es sich um einen Zusammenschluss zwischen den Gremien für Weltraumforschung der europäischen Wissenschaftsstiftung und der National Academy of Sciences, das bereits 1982 seine Arbeit aufnahm. Neben der Cassini-Mission (damals noch als „Saturn Orbiter/Titan Probe“-Programm bzw. SOTP bezeichnet) entstanden so auch die Ideen für die Magellan-Raumsonde und den Mars Observer. Zu Beginn gehörte die Saturn/Titan-Mission noch zum „Mariner Mark II“-Projekt, in dessen Rahmen auch eine ähnlich gebaute Sonde für den Vorbeiflug an einem Asteroiden oder Kometen, genannt „Comet Rendezvous/Asteroid Flyby“ (CRAF), entwickelt werden sollte. Um Kosten zu sparen, war geplant, beide Sonden aus möglichst vielen gleichartigen Instrumenten und Systemen zu konstruieren. Nach einem positiven Gutachten, das kooperativ von ESA und NASA durchgeführt wurde, genehmigte die ESA 1986 erste Studien zur Sonde. Man taufte die Sonde nach Giovanni Domenico Cassini, der die Saturnmonde Iapetus, Rhea, Dione und Tethys in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts entdeckt hatte, auf den Namen „Cassini“.

Im Zeitraum 1987 bis 1988 schritt die Entwicklung der Mariner-Mark-II-Sonde weiter voran, während die Europäer im Rahmen des Horizon 2000-Programms erste Studien zur Titan-Landesonde durchführten. Diese benannte man nach Christiaan Huygens, der den Mond Titan entdeckt und die Saturnringe erstmals korrekt verstanden hatte. Im Jahre 1989 wurden die Mittel für die Entwicklung der Mariner Mark II bewilligt, aber bereits drei Jahre später begrenzte der Kongress die Ausgaben für die Sonde. Die CRAF-Mission musste eingestellt werden. Eine Folge war die Restrukturierung des Cassini-Projekts. Als Instrumente waren nur noch das ISS, VIMS und RSS vorgesehen. Durch die Einstellung des CRAF-Projektes entfiel der Kostenvorteil, der durch gleiche Komponenten erreicht werden sollte, was Ende 1993, in Kombination mit dem neuen NASA-Direktor Daniel Goldin und seinem Motto „faster, better, cheaper“ (dt. für schneller, besser, billiger), auch das gesamte Cassini-Projekt gefährdete. Daraufhin schrieb der damalige Direktor der ESA, Jean-Marie Luton, einen Brief an den Vizepräsidenten der Vereinigten Staaten Al Gore, an den Außenminister der Vereinigten Staaten Warren Christopher und an Goldin selbst. Insbesondere kritisierte er den Alleingang der USA in dieser Angelegenheit:

mini|Cassini-Huygens wird im Oktober 1996 für einen Temperatur- und Vibrationstest vorbereitet Wenig später genehmigte Goldin die Weiterführung des Projekts. Trotzdem geriet die Mission 1995 erneut in das Blickfeld des United States Senate Committee on Appropriations, das das Projekt einstellen wollte. Diese Entscheidung wurde wieder zurückgenommen. Man setzte die Komponenten der Sonden 1996 zusammen und unterzog sie ersten Tests. Cassini wurde am 21. April 1997 nach Cape Canaveral transportiert, wo im folgenden Sommer die letzten Tests erfolgten.

Parallel zum Cassini-Programm in den USA entwickelten die Europäer die Huygens-Landesonde. Die NASA hatte ein Mitspracherecht an wichtigen Entscheidungen. Während der Entwicklung von Huygens wurden insgesamt drei Prototypen gebaut, um einzelne Aspekte, wie zum Beispiel die elektrischen Systeme oder die Tragfähigkeit der Konstruktion, zu testen. Das Projekt erreichte seinen ersten Meilenstein im April 1991:

Die Definitionen der Anforderungen und der erste Designvorschlag wurden akzeptiert.

Im Frühjahr 1994 erfolgte die Verifikation der Konzepte für die mechanischen und elektrischen Systeme. Die letzte und wichtigste Hürde, eine kritische Untersuchung des Gesamtdesigns, wurde im September 1995 erfolgreich genommen. In den folgenden zwei Jahren untersuchte noch eine externe Kommission der NASA das Konzept auf seine Einsatztauglichkeit. 1997, im Jahre des Starts, schlossen die Techniker die letzten Tests zur Tauglichkeit von Huygens für den Start und die Mission erfolgreich ab.

Kurz vor dem Start am 15. Oktober 1997 waren insgesamt fast 5000 Menschen aus 18 Nationen weltweit an der Mission beteiligt.

Kosten Die Kosten des Projekts wurden von der NASA im Jahr 2009 wie folgt angegeben:

Posten Kosten Entwicklung vor dem Start 1422 Mio. US$ Missionsunterstützung 710 Mio. US$ Missionsverfolgung 54 Mio. US$ Start 442 Mio. US$ Aufwendungen der ESA 500 Mio. US$ … davon aus Deutschland:dlr.de: Abgerufen am 17. Juli 2021. ca. 115 Mio. Euro Aufwendungen der ASI 160 Mio. US$ Gesamtkosten 3288 Mio. US$ Anfang 2010 plante die NASA eine Verlängerung der Mission bis 2017 und veranschlagte dafür weitere Kosten von 60 Millionen US-Dollar jährlich.astronews – NASA verlängert Saturnmission bis 2017. 4. Februar 2010, abgerufen am 13. Dezember 2010.

Die „Stop Cassini“-Bewegung Wegen der Radionuklidbatterien, die Plutonium-238 (Details siehe Energieversorgung) enthalten, bildete sich eine Protestgruppe unter dem Motto „Stop Cassini“, die den Start verhindern wollte. Die Anhänger der Gruppe hielten die Gefahren, die von den Folgen eines Fehlstarts oder von einem ungeplanten Wiedereintritt in die Erdatmosphäre ausgingen, für unverantwortlich hoch. Im Falle eines Fehlstarts sagte man den vorzeitigen Tod von mehreren Zehntausend bis Millionen Menschen voraus, da Cassini genug Plutonium-238 enthalte, um bei einer gleichmäßigen Verteilung 1,2 Milliarden Menschen zu töten. Als Alternative wurde die Verwendung von Solarzellen und langlebigen Brennstoffzellen vorgeschlagen.

Das JPL kam in einer Studie zur Umweltverträglichkeit von Cassini-Huygens zu dem Schluss, dass der Einsatz von Solarzellen nicht praktikabel sei. Dies lag vor allem an der Tatsache, dass es keine Nutzlastverkleidung gab, welche die nötigen Solarpanels mit einer Gesamtfläche von 598 m² hätte aufnehmen können. Der resultierende Masseanstieg von 1337 kg (+63 %) hätte außerdem eine massive Reduktion der wissenschaftlichen Nutzlast bedeutet. Ohne diese Maßnahme hätte eine solarbetriebene Sonde das zulässige Gesamtgewicht für die Titan IVB (6234 kg) um knapp eine Tonne überstiegen. Außerdem hätten die Solarpanels durch ihr hohes elektrostatisches Potential deutlich mehr Interferenzen erzeugt als eine Energieversorgung durch Radionuklidbatterien, was einige Instrumente hätte stören können. Die Solarpanele hätten auch aufwändig entfaltet und zur Sonne ausgerichtet werden müssen, was ein zusätzliches Risiko für den Erfolg der Mission bedeutet hätte.

Da auch die NASA einen Fehlstart oder Wiedereintritt in die Erdatmosphäre nicht ausschloss, wurde ein mehrschichtiges Sicherheitskonzept für die Radionuklidbatterien implementiert (siehe Energieversorgung), um im Ernstfall die Freisetzung radioaktiven Materials vollständig zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Für den Zeitraum von der Zündung der Booster bis zum Verlassen der Erdumlaufbahn wurden sechs mögliche Unfallszenarien ermittelt: + Wahrscheinlichkeiten und freigesetzte Radioaktivität laut NASA Missions­phase(n) Minutennach Start Beschreibung Frei­gesetzte Radio­aktivität in MBq Wahrschein­lichkeit der Freisetzung 1 (Selbst-)Zerstörung mit Aufschlag der Batterien auf Beton 2,97 1,7·10−6 Keine Zündung eines Boosters und Einschlag von Teilen der Verkleidung in die Batterien 1,38 9,1·10−6 Schwerer Schaden an der Centaur-Oberstufe und Aufschlag der Batterien auf Beton 2,98 0,42·10−6 2 – 4 0:11 – 4:06 Kein kritisches Szenario mit Freigabe von Radioaktivität erwartet (Absturz in den Atlantischen Ozean) – – 5 4:06 – 11:28 (Selbst-)Zerstörung und Aufschlag der GPHS-Module auf Felsgestein in Afrika 0,54 4,6·10−6 Fehler in der Centaur-Oberstufe und Aufschlag der GPHS-Module auf Felsgestein in Afrika 0,54 0,37·10−6 6 11:28 – 92:56 Ungeplanter Wiedereintritt in die Erdatmosphäre und Aufschlag der GPHS-Module auf Felsgestein 0,56 4,4·10−6

Wäre Cassini-Huygens bei dem Swing-by-Manöver am 18. August 1999 an der Erde unkontrolliert in deren Atmosphäre eingetreten, was laut NASA mit einer Chance von eins zu einer Million hätte passieren können, so wären insgesamt fünf Milliarden Menschen betroffen gewesen. In dieser Population hätte sich die Krebsrate um 0,0005 % erhöht, was statistisch 5.000 zusätzliche Krebstote bedeutet hätte.

Letztendlich erreichte die „Stop Cassini“-Bewegung keine Änderungen und keinen Abbruch der Mission, sie wurde wie geplant durchgeführt. Bill Clinton genehmigte die Mission – der amerikanische Präsident muss jedem Abschuss von radioaktivem Material ins All zustimmen. Gegner der Mission appellierten an Clinton, die Unterschrift zu verweigern. Ihr Protest appellierte auch an die europäische Raumfahrtagentur ESA, die an Cassini beteiligt war. In Deutschland sammelten Kritiker mehr als 10.000 Unterschriften.Streit um den Plutoniumantrieb der Saturnsonde Cassini. Bei: zeit.de. 39/1997.

Missionsziele Die Cassini-Huygens-Mission wurde konzipiert, um das Verständnis über eine Vielzahl von Objekten und Vorgängen im Saturnsystem umfassend zu verbessern. Vor dem Start wurden von NASA und ESA folgende Forschungsschwerpunkte definiert:

Titan Bestimmung der Atmosphärenzusammensetzung und der Isotopenverhältnisse, inklusive der enthaltenen Edelgase; historische Entwicklung Beobachtung der Gasverteilung in der Atmosphäre, Suche nach weiteren organischen Verbindungen und der Energiequelle für chemische Prozesse in der Atmosphäre, Studium der Verteilung von Aerosolen Messung von Winden und Temperatur, Untersuchung der Wolkenbildung und der saisonalen Veränderungen innerhalb der Atmosphäre, Suche nach elektrischen Entladungen Untersuchung der oberen Atmosphäre, insbesondere im Hinblick auf Ionisationseffekte und ihre Rolle als Quelle für elektrisch geladene und ungeladene Teilchen für die Magnetosphäre Erfassung der Oberflächenstruktur und -zusammensetzung sowie Untersuchungen zum Inneren des Mondes

Magnetosphäre Bestimmung der genauen Konfiguration des axial-symmetrischen Magnetfeldes und seine Beziehung zur Radiostrahlung im Kilometerbereich Bestimmung der Zusammensetzung, Quellen und Senken von geladenen Teilchen in der Magnetosphäre Untersuchung der Wellen-Teilchen-Interaktionen, Dynamik der Magnetosphäre auf der Tagseite, dem Magnetotail von Saturn und deren Wechselwirkungen mit Sonnenwind, Monden und den Ringen Studien zur Wechselwirkung von Titans Atmosphäre und Exosphäre mit dem umliegenden Plasma

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