miniatur|Künstlerische Darstellung der Pioneer 10 im Weltraum Pioneer 10 (englisch für Pionier oder Wegbereiter) ist die erste, inzwischen inaktive Raumsonde, die den Planeten Jupiter und anschließend den äußeren Bereich des Sonnensystems erreichte. Sie wurde im Rahmen des Pioneer-Programms am 3. März 1972 vom Launch Complex 36 auf Cape Canaveral mit einer Atlas-Centaur-Rakete gestartet. Die Sonde hat zahlreiche wissenschaftliche Erkenntnisse über den Planeten Jupiter, den Asteroidengürtel, aber auch über die äußeren Regionen des Sonnensystems erbracht. Pioneer 10 erwies sich als äußerst robust und sendete das letzte Mal im Januar 2003 Daten zur Erde. Mit einer Missionsdauer von knapp 31 Jahren übertraf sie die geplante Dauer der Primärmission von 21 Monaten um mehr als das Sechzehnfache.
Am ist Pioneer 10 seit Tagen im All und ca. Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt, das sind etwa Milliarden Kilometer.Abfragetool der NASA (englisch).
Planung und Missionsziele Schon während der 1960er Jahre beschäftigten sich zahlreiche Wissenschaftler mit möglichen Missionen zu den äußeren Planeten, insbesondere zu Jupiter, da man erkannte, dass sich dessen starke Gravitation nutzen lässt, um Raumsonden ohne Treibstoffaufwand durch das Swing-by stark zu beschleunigen. Die NASA genehmigte im Februar 1969 ein Programm für zwei baugleiche Sonden. Diese wurden der Pioneer-Serie zugeordnet und trugen die Namen Pioneer F bzw. Pioneer G. Das Programm wurde vom Pioneer Project Office am Ames Research Center geleitet, die Sonden sollten von TRW entwickelt und konstruiert werden. Zu Jupiter gibt es alle 13 Monate ein optimales Startfenster, und so sollte die erste Sonde im Februar oder März 1972 gestartet werden, die zweite 13 Monate später. Die genauen Zuständigkeiten waren wie folgt ausgeprägt: Pioneer-Gesamtprogramm: NASA-Hauptquartier, ursprünglich geleitet von Glenn A. Reiff und später von F. D. Kochendorfer. Pioneer-F/G-Projekt: Ames Research Center mit Charles F. Hall als Manager wissenschaftliche Instrumente: Joseph E. Lepetich Sondensysteme: Ralph W. Holtzclaw Sondenbetrieb: Robert R. Nunamaker, später Norman J. Martin wissenschaftliche Leitung: Richard O. Fimmel Bahnverfolgung und Datenverarbeitung: Jet Propulsion Laboratory, geführt von A. J. Siegmeth und später Richard B. Miller Datenübertragung: Goddard Space Flight Center, welches das Deep Space Network zur Kommunikation mit den Sonden steuert Trägerrakete: Lewis Research Center mit D. J. Shramo als Manager
Die Missionsziele der Pioneer-Sonden konzentrierten sich auf den Bereich jenseits des Mars. So sollte der Asteroidengürtel wissenschaftlich erforscht und gleichzeitig dessen Gefährlichkeit für Raumfahrzeuge ermittelt werden. Auch das interplanetare Medium zwischen Mars und Jupiter war von großem wissenschaftlichen Interesse. Schließlich sollte auch Jupiter selbst intensiv untersucht werden. Die Pioneer-Sonden benötigten die höchste Geschwindigkeit, die bis dahin je ein künstliches Objekt erreichen würde. Daher wurde die damals stärkste verfügbare Trägerrakete, eine Atlas-Rakete mit einer Centaur-Oberstufe, gewählt. Da der Schub immer noch nicht ausreichte, integrierte man zusätzlich eine dritte Feststoffstufe, mit der man die nötige Geschwindigkeit von über 14,3 km/s erreichen konnte.
Technik Pioneer 10 wurde primär aus Aluminium gebaut und wog beim Start 258 kg, wobei 28 kg auf den Treibstoff Hydrazin zur Lageregelung entfielen. Der zentrale Teil der Sonde besteht aus einem sechseckigen Ring, der den Großteil der Elektronik beherbergt und aus Aluminium in Sandwich-Wabenkern-Bauweise gefertigt wurde. Das Sechseck hat eine Tiefe von 25,5 cm und eine Seitenlänge von 71 cm. Darauf befindet sich die auffällige Parabolantenne mit einem Durchmesser von 2,74 m. Am Zentralteil sind symmetrisch drei Ausleger angebracht. Zwei davon tragen in drei Metern Entfernung je zwei Radionuklidbatterien (siehe Energieversorgung), um Störungen durch deren Strahlung zu vermindern. Am dritten, 6,6 m langen Ausleger befindet sich das HVM-Instrument. Im Zentrum des Ringes befindet sich ein beheizter Kugeltank mit einem Durchmesser von 42 cm für das Hydrazin.
Energieversorgung miniatur|Schema einer SNAP-19-Radionuklidbatterie
Pioneer 10 war die erste Sonde, die ihre Energie ausschließlich aus einer thermoelektrischen Radionuklidbatterie bezog. Diese Neuerung war nötig, da die Sonnenstrahlung bei Jupiter nur ein Siebenundzwanzigstel (1/27) der auf der Erde beträgt, wodurch Solarzellen aufgrund der benötigten Fläche von etwa 23 m² unpraktikabel wären. Die vier Batterien von Pioneer 10 sind mit dem Isotop Plutonium-238 befüllt, das eine Halbwertszeit von 87,7 Jahren hat und während des Zerfalls Alphastrahlung aussendet. Diese Strahlung setzt große Mengen Wärme frei (Temperatur typischerweise mehrere hundert Grad Celsius). Diese Wärme wird mit 90 Thermoelementen pro Batterie direkt in elektrische Energie umgesetzt. Die Batterien sind vom Typ SNAP-19, der auch bei den Viking-Sonden zum Einsatz kam, wiegen je 15,4 kg und haben die Abmessungen . Beim Start erzeugten alle Batterien zusammen eine Leistung von 155 W, die aufgrund des Plutoniumzerfalls und des Verschleißes der Thermoelemente bis zum Jupiter auf 140 W sank. Bis 2004 sank das Niveau auf nur noch 65 W ab. Pioneer 10 benötigt maximal 106 W, wovon 26 W auf die wissenschaftlichen Instrumente entfielen. Die Bordspannung beträgt 28 V.
Kommunikation Die Kommunikation erfolgte primär über die große Hochgewinnantenne, die einen Durchmesser von 2,74 m und einen Öffnungswinkel von 3,3° hat. Sie erreichte einen Antennengewinn von 38 dB. Hiermit wurde im Asteroidengürtel eine Senderate von 2 kbit/s und bei Jupiter 1 kbit/s erreicht. Allgemein konnte die Übertragungsrate in 16 Schritten von 0,016 kbit/s bis 2 kbit/s gewählt werden. Die Empfangsrate war bei Jupiter mit nur einem Bit pro Sekunde sehr niedrig. Auf dem Empfänger befindet sich zusätzlich noch eine Mittelgewinnantenne, die auch bei einer ungenauen Ausrichtung auf die Erde Daten senden und empfangen konnte. Sollte die Sonde keinerlei Ausrichtung auf die Erde durchführen können, so gibt es auf der anderen Seite eine Niedriggewinnantenne, die in einem viel größeren Bereich (32° Öffnungswinkel) senden und empfangen konnte, wenn auch bei extrem geringen Übertragungsraten. Dies resultiert aus dem sehr niedrigen Antennengewinn von nur 21 dB. Daher ist sie nur zur Notfallkommunikation gedacht und wurde nicht zum Übermitteln wissenschaftlicher Daten genutzt. Alle Übertragungen fanden im S-Band bei 2,110 oder 2,292 GHz statt, wobei die beiden redundanten Transmitter eine Sendeleistung von je 8 W aufweisen und 1,75 kg schwer sind.
Elektronik
Pioneer 10 besitzt wie frühere Raumsonden kaum automatische Steuerungssysteme und musste somit ständig mit Kommandos von der Bodenstation versorgt werden. Insgesamt gibt es 222 Befehle, wovon 73 auf die Steuerung der wissenschaftlichen Instrumente und 149 auf die Kontrolle der Sonde entfallen. Jeder Befehl ist 22 Bit lang, womit die Übertragung 22 Sekunden dauerte, als sich die Sonde im Bereich des Jupiters befand. Für einige Situationen, in denen mehrere Befehle in schneller Folge hintereinander ausgeführt werden mussten, reichte diese Datenrate allerdings nicht aus. Daher verbaute man einen Speicher, der bis zu fünf Kommandos aufnehmen konnte. Die wissenschaftlichen Instrumente verfügen über einen Speicher mit einer Kapazität von insgesamt 50 kbit und können mit 18 verschiedenen Datenformaten umgehen. Eine der wenigen automatischen Komponenten der Sonde ist das CONSCAN-System. Mithilfe der Minimumpeilung kann es die Antenne autonom auf die Erde ausrichten. Allerdings ist die manuelle Ausrichtung durch Befehle von der Bodenstation im Hinblick auf den Treibstoffverbrauch effektiver, weswegen der CONSCAN-Modus nur selten eingesetzt wurde.
Flugsteuerung Um die Position der Sonde zu ermitteln, kamen drei Sternsensoren zum Einsatz, von denen zwei die Sonne und einer Canopus als Leitsterne anpeilen. Sollte einer der beiden Sterne aus dem Sichtbereich der Sensoren auswandern, wurde eine Lagekorrektur eingeleitet. Diese wurde durch zwölf paarweise angeordnete Schubdüsen durchgeführt, die sich an der Antennenschüssel befinden. Sie konnten einen Schub von 1,8 bis 6,2 Newton erzeugen. Die Stabilität der Sonde wurde durch eine Eigenrotation von etwa 4 bis 5 Umdrehungen pro Minute gewährleistet, wobei die Rotationsgeschwindigkeit mit der Zeit sank. Die Rotation erfolgte um die Achse Sender–Antenne–Zentralring. Die Schubdüsen wurden auch zur Anpassung der Rotation genutzt.
Plakette
miniatur|Die Pioneer-Plakette
Die Plakette von Pioneer 10 ist als Informationsträger für Außerirdische gedacht, welche die Sonde eventuell finden könnten. Sie misst 22,9 cm in der Breite und 15,2 cm in der Höhe. Als Basismaterial dient eine 1,2 mm dicke Aluminiumplatte, die zum Korrosionsschutz mit Gold überzogen ist. Primäre Bildelemente sind ein Mann und eine Frau, jeweils unbekleidet, und die Silhouette des Raumschiffes, um einen Größenvergleich zu ermöglichen. Die Position der Erde ist relativ zu vierzehn Pulsaren angegeben. Des Weiteren sind das Sonnensystem und ein Hyperfeinstrukturübergang eines Wasserstoffatoms dargestellt.
Wissenschaftliche Instrumente miniatur|Diagramm von Pioneer 10 und dessen Systemen
Pioneer 10 führte insgesamt 11 wissenschaftliche Instrumente mit, wobei das „S-Band Experiment“ nicht als eigenständiges System gezählt wird. Instrument Hersteller Masse Verbrauch Asteroid/Meteoroid Astronomy (AMA) General Electric 3,3 kg 2,7 W Meteoroid Detectors (MD) Langley Research Center 1,7 kg 0,7 W Imaging Photopolarimeter (IPP) University of Arizona 4,3 kg 2,2 W Infrared Radiometers (IR) Caltech 2,0 kg 1,3 W Ultraviolet Photometry (UV) University of California 0,7 kg 0,7 W Charged Particle Instrument (CPI) University of Chicago 3,0 kg 2,4 W Trapped Radiation Detector (TRD) University of California 1,7 kg 2,9 W Cosmic-Ray Spectra (CRS) Goddard Space Center 3,2 kg 2,2 W Geiger Tube Telescope (GTT) University of Iowa 1,6 kg 0,7 W Helium Vector Magnetometer (HVM) Jet Propulsion Laboratory 2,6 kg 5,0 W Quadrispherical Plasma Analyzer (PA) Ames Space Center 5,5 kg 4,0 WGesamt 29,6 kg 24,8 W
Asteroid/Meteoroid Astronomy (AMA) miniatur|Die vier Teleskope des AMA
Dieses Instrument maß die Verteilung von großen und kleinen Gesteinsbrocken im Asteroidengürtel. Hierzu kamen vier Ritchey-Chrétien-Cassegrain-Teleskope zum Einsatz, die jeweils in einem Winkel von 45° zur Rotationsachse angeordnet waren. Alle Teleskope wiesen 20 cm Brennweite und Durchmesser auf. Durch die geringe Brennweite war das Gesichtsfeld 7,5° groß. Verstärkt wurde das einfallende Licht, das von den Asteroiden reflektiert wurde, mittels Photokathoden und Photomultiplierröhren. Eine Messung wurde ausgelöst, wenn ein Objekt von mindestens drei der Teleskope erfasst wurde. Die Geschwindigkeit des Objekts wurde durch den Vergleich der Erfassungszeitpunkte durch die einzelnen Teleskope errechnet. Die Größe wurde aus der reflektierten Lichtmenge errechnet. Das Instrument fiel im Dezember 1973 aus, wobei zu diesem Zeitpunkt der Asteroidengürtel aber bereits durchquert war.
Meteoroid Detectors (MD) miniatur|Ein Meteoroidendetektor (oben) und deren Verteilung an der Antennenunterseite (unten)
Der Meteoroidendetektor ergänzte das AMA und registrierte die Einschläge von Teilchen auf der Sonde, die über 100 Nanogramm wogen. Hierzu wurden 234 Zellen mit einer Argon-Stickstoff-Mischung gefüllt. Wenn ein Teilchen die 0,05 mm dicke Folie durchschlug, strömte das Gas aus. Dieses wurde durch eine Kathode detektiert, die das Gas auch ionisierte. So konnte auch die Größe des eingeschlagenen Teilchens ermittelt werden. Das Instrument besaß insgesamt eine Fläche von 2,45 m², wobei gleich mehrere Detektorplatten auf der Rückseite der Antenne angebracht wurden (siehe Bild rechts). Im Oktober 1980 wurde das Instrument schließlich abgeschaltet.