BepiColombo ist eine vierteilige Raumsonde, die am 20. Oktober 2018 um 03:45 Uhr (MESZ) zum Merkur startete. BepiColombo ist eine Kooperation zwischen der ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA.
Die Sonde ist nach dem Spitznamen des 1984 verstorbenen italienischen Mathematikers Giuseppe Colombo benannt, der sich um die Merkurerkundung besonders verdient gemacht hatte. Es ist die dritte Mission zum Merkur nach Mariner 10 in den Jahren 1974 und 1975 sowie dem MESSENGER-Orbiter von 2011 bis 2015.
Vorgeschichte Ein Vorschlag für eine Merkurmission wurde 1993 eingereicht im Rahmen von “Call for Ideas”, daraus wurde später BepiColombo. Die Mission wurde 1996 als Kandidat aufgenommen und 2000 als Cornerstone-Mission in das wissenschaftliche Missionsprogramm Horizon 2000 Plus der ESA aufgenommen. Die Mission sah ursprünglich einen Start mit zwei Orbitern zwischen 2009 und 2010 und drei Jahre Flugzeit mit elektrischem Antrieb und mehreren Gravity-Assists vor. Es sollte auch ein Lander mitfliegen. Im Laufe der Entwicklung wurde schnell klar, dass die Sonde um einiges schwerer wird als im anfänglichen Entwurf. Ein Lander hätte eine zweite Startrakete erfordert und wurde daher 2001 aus Kostengründen gestrichen. Eine Bedingung für die Mission war der erfolgreiche Abschluss der Smart-1 Mission, bei der zum ersten Mal ein Ionenantrieb von der ESA eingesetzt wurde.
In Japan bildete sich 1997 eine Arbeitsgruppe für eine wissenschaftliche Merkurmission. Das Konzept war ein rotierender Merkurorbiter mit chemischem Antrieb und vielen Vorbeiflügen an Venus und Merkur. Bei einem Treffen zwischen den Weltraumagenturen 1999 wurde das Projekt vorgestellt und in der Folge kam es zur Zusammenarbeit und Integration des japanischen Orbiters als Teil von BepiColombo. Dieses Konzept wurde bei der 105. Tagung des ESA-Wissenschaftsprogrammkomitees am 6. November 2003 genehmigt.
Die Auswahl der 16 Instrumente der Nutzlasten wurde 2005 bestätigt. 2008 kam es zu einem herben Rückschlag durch unerwartete negative Testergebnisse für wesentliche Technologien. In der Folge wurde das Projekt um mehrere Jahre verzögert. Es mussten Komponenten neu entwickelt werden und die Massenbudgets wurden überschritten. Das veränderte Design und der Wechsel von einer Sojus-Rakete zu einer Ariane 5 wurde im November 2009 angenommen. Aber auch danach gab es immer wieder Verzögerungen durch unerwartete Testergebnisse.
Missionsziele BepiColombos vielfältige Aufgaben sollen insgesamt eine umfassende Beschreibung von Merkur und Hinweise auf seine Geschichte liefern. Kameras und verschiedene Spektrometer sollen die Oberfläche aus geringer Höhe in verschiedenen Spektralbereichen kartografieren, Höheninformationen ermitteln, sowie die mineralogische und chemische Zusammensetzung der Oberfläche bestimmen und nach Eisablagerungen suchen. Strahlungen, Partikel und Spektren verschiedener Arten und Wellenbereiche sowie das Schwerefeld sollen gemessen werden. Es soll geklärt werden, ob Merkur einen festen oder geschmolzenen Kern hat und die Love-Zahlen sollen ermittelt werden. Die beiden Sonden in koplanarer Anordnung, aber unterschiedlich hohen Umlaufbahnen, sollen gemeinsam die Form, Ausdehnung und Herkunft des Magnetfelds ermitteln. Viele der Instrumente sind ähnlich zu denen auf MESSENGER, somit lassen sich die Daten vergleichen, es gibt aber zusätzliche Instrumente, die auf Messenger nicht vorhanden waren, die neue Ergebnisse versprechen.
Technologische Herausforderungen Zu den besonderen technologischen Herausforderungen gehören:
Reise und Betrieb in Sonnennähe unter starker Licht-, Wärme- und Partikelstrahlung und unter starker Beschränkung der Startmasse. Die Notwendigkeit, die kinetische und potenzielle Energie in einer mehrjährigen Reise in Richtung Merkur mit neun Swing-by-Manövern und einem Ionenantrieb effizient abzubauen Die beschleunigte Alterung der Komponenten Kühlung und die Abschirmung der Instrumente gegen Streustrahlung spielen eine wichtige Rolle
Die Solarkonstante ist bei der Erde ca. 1361 W/m². Dagegen ist die Sonneneinstrahlung an Merkur zwischen 6290 W/m² im Aphel und bis zu 14 500 W/m² im Perihel, im Mittel 9126,6 W/m², also bis zu ungefähr der zehnfachen Sonneneinstrahlung. Zusätzlich kann die Abstrahlung im Infraroten von der heißen Merkuroberfläche bis zu 13 600 W/m² betragen. 80 % der Technologie und Materialien mussten entweder neu entwickelt oder für den Einsatz unter den Bedingungen von Merkur neu getestet und qualifiziert werden. Der Langzeittest der ursprünglich vorgesehenen Solarpaneele schlug fehl, sodass eine neue Technologie gefunden und wieder getestet werden musste. Dieses verzögerte den Start um mehrere Jahre. Im Ergebnis musste man die Solarpaneele größer und robuster bauen, was das Gewicht und wiederum die notwendige Treibstoffmenge erhöhte und den Einsatz einer Ariane 5 notwendig machte.
Einige der neu entwickelten oder neu qualifizierten Schlüsseltechnologien der Mission waren: Materialien zur Temperaturkontrolle: Oberflächenbeschichtungen, Klebstoffe, Kunstharze, mehrlagige Isolationsschichten, Schmier- und Gleitmittel, optische Sonnenreflektoren Ein Design für den Radiator in einer Umgebung mit hoher Infrarotstrahlung Solarzellen für den Betrieb bei extremer Sonnenbestrahlung und hoher Temperatur, Dioden und Trägermaterialien für die Solarpanele Hoch- und Mittelgewinnantennen für Einsatz unter hoher Temperatur Ein Ionenantrieb mit hohem spezifischem Impuls (Isp = 3800 s) und einem Gesamtimpuls von 17 MNs Neue Technologien der Nutzlasten wie Sensoren, Filter und Lasertechnologie
Das modular zusammengesetzte Raumfahrzeug mini|Das MCS in Startposition für einen Test. Unten das Transfermodul MTM, darüber MPO, oben MIO. Die Solarmodule sind eingeklappt. MOSIF befindet sich rechts am Boden und ist noch nicht montiert. mini|300px|Geplante Umlaufbahnen der beiden Sonden der BepiColombo-Mission
BepiColombo war beim Start als Mercury Composite Spacecraft (MCS) aus vier Teilen zusammengesetzt: dem Transfermodul (Mercury Transfer Module, MTM) – in Startlage zuunterst, darauf aufbauend zwei verschiedene Orbiter, samt einem Verbindungsteil zwischen diesen beiden In Startlage unten sitzt der Fernerkundungsorbiter (Mercury Planetary Orbiter, MPO; dreiachsenstabilisiert, Hydrazinantrieb); er soll in eine messende (die niedrigere) polare Umlaufbahn um den Merkur einschwenken. Ganz oben sitzt der Magnetosphärenorbiter (Mercury Magnetospheric Orbiter, ehemals MMO nun MIO genannt; spinstabilisiert, Kaltgastriebwerke), sein Ziel ist eine höhere, ebenfalls polare Umlaufbahn mit den Parametern . Zwischen diesen Orbitern liegt das Sonnenschild-und-Zwischenstück (MMO-Sunshield-and-Interface-Struktur, MOSIF), das als Hitzeschild für MIO dient und elektrisch und mechanisch die Verbindung zwischen MPO und MIO bildet.
Gestartet und zum Merkur geflogen wurden MPO, MOSIF und MIO übereinander montiert auf dem MTM als Mercury Composite Spacecraft (MCS). BepiColombo wog als MCS beim Start vollgetankt 4081 kg. Beim Abstieg im Schwerefeld der Sonne hin zur Merkurbahn lag das MTM mit dem zum Bremsen genutzten Triebwerk gegen die Flugrichtung und zur Sonne hin, sodass MOSIF MIO vor der intensiver werdenden Sonnenstrahlung schützen konnte.
Mercury Transfer Module (MTM) mini|Mercury Transfer Module im ESA-ESTEC-Test-Center in Noordwijk, Niederlande mini|Foto von einer der Selfie-Kameras des Transfermoduls mit Merkur im Hintergrund Das im Auftrag der ESA entwickelte Transfermodul mit einer Startmasse von ca. 1100 kg transportierte während des Flugs bis zum Merkur beide Orbiter und einen Teil der Treibstoffe. Das MTM wurde während des Flugs vom Computer des MPOs gesteuert. Zur Kommunikation wurden Sender und Antenne des MPO benutzt. Das MTM hat drei einfache, weitwinklige „Selfie-Kameras“ mit kurzer Brennweite und einer Auflösung von 1024 × 1024 in schwarzweiß. Mit ihnen konnte die korrekte Entfaltung der Solarpaneele und die Ausrichtung der Antenne überwacht werden, als Nebenprodukt ließen sich bei Swing-by-Manövern die Planeten im Hintergrund erkennen.
Das MTM verfügt über zwei verschiedene Antriebe: Der Ionenantrieb wurde in wochen- und monatelangen Brennphasen bei kleinem Schub zwischen den Swing-by-Manövern eingesetzt, um das Raumschiff abzubremsen. Der chemische Antrieb wurde zur Lageregelung eingesetzt, zur Entsättigung der Reaktionsräder und für das Einschwenken in die Merkurumlaufbahn.
Ionenantrieb Für die interplanetaren Phasen gibt es vier redundante solar-elektrisch betriebene QinetiQ-T6-Ionentriebwerke vom Typ Kaufman. Dieses Triebwerk der 5 kW-Klasse wiegt 8,5 kg und das Ionengitter hat einen Durchmesser von 22 cm. Für die Mission wurde die variable Schubkraft in Stufen von 75 bis 145 mN definiert. Das Triebwerk an sich kann mit Schubkraft zwischen 24 mN bis 230 mN betrieben werden, unterliegt aber bei höherem Schub einem verstärkten Verschleiß und verliert bei sehr niedrigem oder sehr hohem Schub an Effizienz. Der spezifische Impuls ist mehr als 4000 s. Als Stützmasse diente 580 kg Xenon für ein Δv von 5400 m/s, das in drei Tanks mitgeführt wurde. Bis zu zwei dieser vier Triebwerke konnten gleichzeitig in Betrieb sein. Diese Triebwerke ionisieren Xenon und beschleunigten die dabei entstehenden Xenon-Ionen durch Hochspannungsgitter auf eine Geschwindigkeit von 50.000 Meter pro Sekunde. Die Ionentriebwerke sind schwenkbar montiert. Der Schwerpunkt des Raumschiffs verändert sich, wenn Stützmasse und Treibstoffe verbraucht werden. Durch die beweglichen Triebwerke konnte der Schub immer auf den Schwerpunkt ausgerichtet werden – unabhängig davon, ob ein oder zwei Triebwerke eingesetzt wurden und unabhängig davon, welche der vier Triebwerke in Betrieb waren.
Für den Betrieb der Ionentriebwerke und der übrigen Komponenten verfügt das MTM über 42 m2 Solarmodule mit einer Leistung von etwa 15 kW. Es ist darin eingeplant, dass die Solarzellen altern und die Paneele nicht immer voll zur Sonne ausgerichtet werden können.
Chemischer Antrieb Zusätzlich hat das MTM 12 redundante chemische Triebwerke mit je 10 N Schub für Lage- und Orbitkontrolle während der Swing-by-Manöver, für das Entsättigen der Reaktionsräder während der Mission und für das Einbremsen in die Umlaufbahnen. Das System wird mit Helium unter Druck gesetzt, eingesetzt wird Monomethylhydrazin und MON 3. Das MTM hat eine Ladung von 157 kg chemischem Treibstoff für ein Δv von 68 m/s.
Das Transfermodul wurde nur bis zur Ankunft am Merkur benötigt. Kurz vor dem Eintritt der Sonden in die Merkurumlaufbahnen wurde das Transfermodul abgetrennt und wird in einer Umlaufbahn um die Sonne bleiben. mini|Mercury Planetary Orbiter
Mercury Planetary Orbiter (MPO) mini|EMV- und Antennen-Test des Mercury Planetary Orbiters im ESTEC Der MPO ist der europäische Orbiter der Mission. Der Satellitenkörper der Raumsonde ist 2,4 m breit, 2,2 m tief, 1,7 m hoch und besitzt einen 3,7 m breiten Radiator. MPO hatte beim Start eine Trockenmasse von 1146,6 kg, 673,2 kg Treibstoff und eine Gesamtmasse von 1819,8 kg.
Energieversorgung Solange MTM in Betrieb war, wurde der Solargenerator des MPO mit den schmalen Seiten in Richtung Sonne gedreht. Dieses minimierte das Drehmoment auf die Fläche durch den Sonnenwind, diente der Temperaturkontrolle, verhinderte, dass die Solarzellen vorzeitig altern, und gab den Blick für die Sonnensensoren frei. Das MTM übernahm in dieser Zeit für MPO und MIO die Stromversorgung.