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Wednesday, February 1, 2023

New Horizons und das Ende der Welt

künstlerische darstellung von new horizons

Der Idee, eine Raumsonde zum Pluto zu schicken, gingen kühne Ideen voraus, von Orbitern zu Landemissionen. Als die Sonde letztlich 2006 startete, steckten Millionen Dollar Entwicklungskosten und viele Jahre harte Arbeit in ihr. Nun navigiert New Horizons weit jenseits der Zone der Planeten – und eines Tages wird sie auch das Sonnensystem verlassen.

Die Vorgeschichte

Zunächst muss man betrachten, dass Pluto noch ein Planet war, der richtig entdeckt wurde, er war nicht schon immer bekannt, wie etwa Jupiter oder Mars. Entdeckt wurde der Pluto nämlich vom US-amerikanischen Astronomen Clyde Tombaugh am 18.Februar 1930.

Er versuchte, Bahnstörungen des Neptuns zu finden, als Anzeichen auf einen zehnten Planeten. Schließlich hat man auch bei der Entdeckung des Neptuns lediglich den Uranus beobachtet. Er fand dort tatsächlich den Pluto, doch das ist Zufall, er ist viel zu klein, um die Bahn des Neptuns zu stören.

Im frühen Raumfahrtzeitalter wurden die Lichtpunkte am Himmel plötzlich zu eigenen Welten, die wir besuchen können, wir sahen Berge, Dünen, Krater. Mit Teleskopen ließen sich auch die äußeren Planeten gut auflösen, doch Pluto war so klein und fern, dass er eigentlich immer nur ein kleiner Lichtpunkt war – eine Mission dorthin schien illusorisch.

Das änderte sich, als der Ingenieur Gary Flandro vom Jet Propulsion Laboratory berechnete, dass die äußeren Planeten in den 70er Jahren so günstig stehen, dass eine Sonde vier von ihnen in einem Flug erforschen könnte und dabei stets die Gravitation des einen Planeten als Beschleunigung für den Flug zum nächsten nehmen könnte. Damit wäre es möglich, eine Sonde innerhalb von 40 Jahren in den interstellaren Raum zu bringen.

Nun plante man, dies auszunutzen und zwei Raumsonden loszuschicken, die zwei verschiedene Routen abfliegen:

Jupiter – Uranus – Neptun

Jupiter – Saturn – Pluto

Diese Grand Tour wurde schließlich auch verwirklicht, und zwar im Rahmen des Voyager-Programms, aber ohne den Pluto. Auch ein Versuch, die Voyager-Hardware für eine dritte Sonde zu Pluto zu nutzen, schlug fehl. Dennoch haben die Voyager-Sonden einen entscheidenden Beitrag zu späteren New Horizons geleistet.

Sie zeigten, dass auch kleine Welten extrem spannend und geologisch aktiv sein können, der kleine Jupitermond Io war der vulkanischste Körper des Sonnensystems mit Schwefelseen und Vulkanen, die Asche bis ins All schleudern. Der Saturnmond Titan war trotz seiner Entfernung von einer dicken Atmosphäre umgeben, auf dem Uranusmond Miranda gab es die höchsten Klippen des Sonnensystems und auf dem Neptunmond Triton sogar Geysire.

Nach damals vorherrschender Meinung waren eigentlich alle Gesteinskörper jenseits des Mars ähnlich beschaffen wie unser Mond, doch dies erwies sich als falsch. Später entdeckte man den Plutomond Charon, der mehr als halb so groß ist wie Pluto, also eigentlich eher ein Doppelplanet ist und auch eine Atmosphäre wurde gefunden.

Man meinte allerdings, diese würde ausfrieren, wenn Pluto sich auf seiner exzentrischen Bahn von der Sonne entfernt. Man musste sich also wirklich beeilen, wenn man sie noch erforschen wollte.

Erste Planungen

Die NASA war sich nun recht sicher, eine Mission zum Pluto schicken zu wollen. Zahlreiche Argumente sprachen dafür:

  • Nach der Passage von Voyager 2 am Neptun war Pluto der einzige noch nicht von einer Raumsonde besuchte Planet.
  • Als einziger Planet wurde Pluto von einem US-Amerikaner entdeckt.
  • Die Atmosphäre Plutos stand vor dem Ausfrieren, erst nach dem Jahr 2113 würde Pluto sich wieder langsam der Sonne nähern.
  • Wie die Erde hat Pluto einen übergroßen Mond.
  • Die Monde des äußeren Sonnensystems waren teils geologisch aktiv, folglich sollte dies auch beim Pluto möglich sein.

Nun begann also die konkrete Missionsplanung. Dafür musste man sich zunächst die Himmelsmechanik anschauen. Pluto ist wirklich weit entfernt und um ihn in kurzer Zeit (also etwa acht Jahren) zu erreichen, musste man eine bisher ungeahnte Startgeschwindigkeit von 18 Kilometern pro Sekunden hinlegen.

Selbst dann benötigt man noch die Hilfe des Jupiters, um an Geschwindigkeit zu gewinnen und ein Flug zu Pluto über Jupiter ist etwa alle zwölf Jahre möglich, dann passt die Konstellation der Himmelskörper. Auch hier war also zusätzlicher Druck da, denn je früher man beim Jupiter ankommt desto besser.

Kommt man später an, hat er sich auf seiner Bahn bereits weiterbewegt, man darf also keine so große Richtungsänderung vornehmen, um den dahinterliegenden Pluto noch zu erreichen, sie liegen jetzt sozusagen schon fast auf einer Linie. Dadurch darf man sich dem Jupiter auch weniger stark annähern und man wird weniger stark beschleunigt.

Es war also wirklich Druck da und es gab zahlreiche teils wirklich ausgefallene Konzepte für Raumsonden zum Pluto. Einige davon:

  • Eine nur 35 Kilogramm schwere Mini-Raumsonde, sie bräuchte für den Flug nur etwa fünf Jahre.
  • Die Pluto Very Small hätte bei einem 18-jährigen Flug sogar in einen Orbit um Pluto einschwenken können.
  • Eine große mit zahlreichen Instrumenten ausgestattete Sonde wird mit einer Saturn-Rakete gestartet.

Diese Möglichkeiten ergaben sich jedoch als unrealistisch. Ernsthaft in Erwägung gezogen wurde jedoch eine Doppelsonde, Mariner Mark II, dasselbe Sondenkonzept wie bei Cassini-Huygens. Es wäre aber kein Lander, sondern eine kleine Vorbeiflugsonde befestigt worden, die sich vor Erreichen des Plutos abtrennt.

Aus Kostengründen wurde die zweite Sonde jedoch gestrichen, internationale Kooperationen hätten neue Möglichkeiten geboten:

  • Russland bot eine Landesonde namens Dropzond an.
  • Mit einer Proton ließen sich die Startkosten senken.
  • Deutsche Forscher*innen wollten eine Aufschlagsonde für den Jupitermond Io mitführen und hätten sich an den Startkosten beteiligt.

Doch der Trend änderte sich wieder, weg von langen und teuren Planetenmissionen und hin zu vielen günstigen auf maximale wissenschaftliche Ausbeute abzielende Missionen im Rahmen des Discovery-Programms.

New Horizons sollte schließlich zum Mittelweg werden und das New Frontiers-Programm begründen, das sind Medium-Class-Missionen zwischen den günstigen Discovery-Missionen und den teuren Flagship-Missionen.

Schließlich war eine neue günstigere Mission geplant, der Kuiper Express. Die Sonde war natürlich Produkt eines politischen Richtungswechsels, aber auch neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse. Inzwischen hatte man den von Gerard Kuiper bereits lange vorhergesagten Kuipergürtel nachgewiesen, eine Scheibe aus Asteroiden jenseits des Neptuns. Der Kuiper Express sollte nach seinem Vorbeiflug am Pluto auch ein Objekt des Kuipergürtels erforschen.

künstlerische darstellung der raumsonde kuiper express vor pluto und charon, new horizons
So hätte der Kuiper Express aussehen können.

Doch auch hier plante die NASA zu ineffizient. Der Kuiper Express wurde auf Basis des Europa Orbiters gebaut, der in den Orbit des Jupitermonds Europa einschwenken sollte. Doch dieser brauchte einen Strahlenschutz, da der Jupiter einen riesigen Strahlungsgürtel hat, für den Kuiper Express war er jedoch komplett überflüssig – symptomatisch für ineffiziente Planung.

Vom Kuiper Express zu New Horizons

So wurde auch der Kuiper Express eingestellt, doch unter den Wissenschaftler*innen regte sich Widerstand und auch die Öffentlichkeit war begeistert von Pluto und einer Mission dorthin.

So wurde das Pluto Fast Flyby-Konzept entwickelt, eine Raumsonde sollte nun lediglich an Pluto vorbeifliegen und anschließend weiter in den Kuipergürtel reisen – das Konzept, das mit New Horizons schließlich verwirklicht wurde.

Doch die Instrumente der Sonde und auch der Name standen noch nicht fest, für letzteren gab es viele Vorschläge, etwa New Worlds Explorer, Voyager 3, One Giant Leap oder einfach X. Schließlich wurde es jedoch New Horizons, nach einem Vorschlag von Alan Stern.

Die endgültigen Missionsziele wurden formuliert, unter anderem:

  • Entschlüsselung des inneren Aufbaus von Pluto und Charon
  • Genaue Kartierung der Oberflächen von Pluto und Charon
  • Analyse der Zusammensetzung von Plutos Atmosphäre und Suche nach Charons Atmosphäre
  • Genauere Vermessung der Größen und Massen der Himmelskörper
  • Suche nach Ringen, Monden und einem Magnetfeld
  • Messung der Temperatur und Helligkeit der Oberfläche
  • Dreidimensionale Kartierungen von Pluto und Charon

New Horizons ist also das Ergebnis von zahlreichen Ideen und Konzepten, teils kühnen Plänen, die bis heute in den Köpfen der Wissenschaftler*innen sind. Hier einmal einige frühere Konzepte der letztlich verwirklichten Mission gegenübergestellt.

 New HorizonsKuiper ExpressMariner Mark IIPluto Very Small
ZielePluto
KBO´s
Pluto
KBO´s
Pluto
(Io)
Pluto
MissionsformVorbeiflugVorbeiflugVorbeiflug
(Landung)
Orbiter
Flugzeit9,5 Jahre9,5 Jahre9,5 Jahre18 Jahre
Start20062001?Nie geplant

Natürlich gab es auch noch einige weitere Ideen, etwa die Thousand Astronomical Units, eine Raumsonde die sich 1.000 Astronomische Einheiten weit von der Sonne entfernen und dabei auch den Pluto passieren sollte.

Technik von New Horizons

New Horizons ist nichts groß, sie hat einen dreieckigen Grundriss von der Größe eines Klaviers. Die Sonde ist 2,7 Meter breit, 2,1 Meter lang und 0,7 Meter hoch, daran angebracht ist eine Parabolantenne, durch die sie mit der Erde kommuniziert. Ebenfalls am Sondenkörper angebracht ist die zylinderförmige Radioisotopenbatterie zur Energieversorgung der Sonde.

new horizons

Die Batterie ist mit Plutonium-238 gefüllt (wie passend) und ist 10,9 Kilogramm schwer. Sie enthält 18 Module mit je vier Kapseln, die mit 151 Gramm Plutoniumoxid gefüllt sind. Es gab bei der Herstellung des spaltbaren Materials allerdings auch Probleme, so wurden die Arbeiten zeitweise gestoppt, das geheime Festplatten verschwunden waren.

Die Zerfallsrate des Plutoniums nimmt mit der Zeit ab, somit wird auch immer weniger Energie erzeugt. Beim Start erzeugte die Batterie 240 Watt, beim Erreichen des Plutos waren es noch 200 Watt. Das ist etwas mehr als man ursprünglich erwartet hat und deutlich mehr als für einen Normalbetrieb nötig ist, etwa 182 Watt.

Wie fast immer war die Elektronik von New Horizons bereits nach wenigen Jahren veraltet, da auf der Erde die Computertechnik inzwischen große Fortschritte gemacht hat. Die Sonde verfügt über vier redundante Rechensysteme, sodass drei davon unterwegs ausfallen können, ohne dass die Mission scheitert.

Der Prozessor ist gegen Strahlung abgehärtet und 12 MHz schnell. Die wissenschaftlichen Daten werden auf zwei Rekordern mit je 8 GB zwischengespeichert, bevor sie zur Erde übertragen werden. 2020 soll eine neue Software für die Sonde installiert werden.

Wie bereits gesagt findet die Kommunikation mit einer 2,1-m-Parabolantenne statt, sie ist fest angebracht und kann nur durch die Drehung der ganzen Sonde ausgerichtet werden. Kommuniziert wird im X-Frequenzbereich mit dem Deep Space Network, einem weltweiten Netz aus Parabolantennen, durch das mit Raumsonden kommuniziert werden kann.

New Horizons hat auch einen Antrieb, der wird allerdings nur zu kleinen Kurskorrekturen und der Ausrichtung der Sonde verwendet, mit ihm lässt sich kaum nennenswert beschleunigen. Das ist aber auch nicht notwendig, da die Sonde keiner Reibung unterliegt, fliegt sie einfach immer mit fast konstanter Geschwindigkeit weiter.

Insgesamt hat New Horizons 16 Triebwerke, vier davon sind mit 4,4 Newton Schub stärker als die anderen mit 0,8 Newton. Vor allem die stärkeren werden für Kurskorrekturen verwendet. Die Triebwerke laufen mit insgesamt 77 Kilogramm Hydrazin, damit ließe sich die Sonde lediglich um 400 m/s beschleunigen oder abbremsen, für das Anfliegen weiterer Objekte des Kuipergürtels reicht das aber.

New Horizons navigiert so wie schon unsere frühen Vorfahren mit dem Sternenhimmel. Es werden Aufnahmen vom Sternenhimmel gemacht, die mit einer Sternkarte mit 3.000 Sternen verglichen werden.

Die nötige Temperatur zum Erhalt der Technik wird durch die Technik selbst erzeugt, die Wärme wird fast komplett beibehalten, wie in einer Thermoskanne. Die spezielle goldene Folie, mit der New Horizons umwickelt ist, gilt neben dem Schutz vor Mikrometeoriten auch der thermischen Isolation.

Zudem wurde New Horizons zwischen Jupiter und Pluto in einen Ruhemodus versetzt, dabei sendet sie nur ab und zu rudimentäre Meldungen über ihren Status, dafür musste sie sehr autonom arbeiten. Man ging davon aus, dass die Sonde etwa 16 Jahre funktioniert, also etwa bis in eine Entfernung von 50 Astronomische Einheiten von der Sonne Daten sendet.

Wissenschaftliche Instrumente an Bord

Die wissenschaftlichen Instrumente sind recht vielfältig, um sie auszurichten, muss die gesamte Sonde neu ausgerichtet werden (mit dem Hydrazin-Treibstoff). Hier unterscheidet sich New Horizons von der ursprünglich geplanten Mission Kuiper Express, denn die Instrumente sind nicht rein optisch, sondern untersuchen auch Teilchen und Staub, um die Wechselwirkung zwischen Plutos Ionosphäre mit dem Sonnenwind zu ergründen.

Aber auch mehrere Kameras sind an Bord, sie kartieren Pluto im sichtbaren Bereich, im Infrarot- und im Ultraviolettbereich. Ich stelle hier die Instrumente kurz vor:

RALPH

RALPH ist eine Kamera und das umfangreichste und schwerste Instrument an Bord von New Horizons. Das Instrument ist eine Kombination aus der Kamera MVIC und dem Spektrometer LEISA. MVIC macht Farb- und Falschfarbaufnahmen und hat eine große Auflösung: Aus 100.000 Kilometern Entfernung entspricht ein Bildpunkt zwei Kilometern.

Zudem gibt es Farbfilter, die nur gewisse Wellenlängen aufnehmen, für den blauen, den roten, den nahen infraroten und den Methanbereich. Da es keinen Grünfilter gibt, sind so keine Aufnahmen möglich, die dem menschlichen Sehen entsprechen.

LEISA hat eine deutlich schlechtere Auflösung, aus 100.000 Kilometern Entfernung entsprechen hier 6.082 Kilometer einem Pixel. Es ist ein Spektrometer und ist vor allem auf die Untersuchung der Zusammensetzung von Plutos Atmosphäre ausgelegt. Das funktioniert recht einfach: Jeder Stoff absorbiert eine bestimme Wellenlänge des Lichtes, lässt sie also sozusagen nicht passieren.

Untersucht man nun das Licht, welches Plutos Atmosphäre durchquerte, fehlen gewisse Wellenlängen, da sie von den Stoffen in Plutos Atmosphäre absorbiert wurden. Daran, welche Wellenlängen detektiert werden, lässt sich also sehen, welche Stoffe die Atmosphäre enthält.

LEISA ist nun auf die charakteristischen Absorptionsbanden gewisser Elemente ausgelegt, sie kann Wellenlängen zwischen 1.000 und 2.500 Nanometern abbilden, dort liegen die Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und molekularem Stickstoff. Das alles sind Stoffe, die man in Plutos Atmosphäre vermutete.

LORRI

LORRI steht für Long-Range Reconnaissance Imager, es handelt sich um eine weitere Kamera, die aber eine deutlich höhere Auflösung hat. Aus einer Entfernung von 100.000 Kilometern entspricht hier ein Pixel 494 Metern.

LORRI kann auf der Oberfläche Plutos im besten Fall Bilder mit einer Auflösung von 40 Metern pro Pixel machen und ist in der Lage, jeden neuen Plutomond mit einer Größe oberhalb eines Kilometers zu entdecken.

lorri-kamera wird eingebaut
Wissenschaftler*innen montieren LORRI.

Die Kamera hat keine eigene Heizung, sie ist darauf ausgelegt, auch bei widrigen Temperaturen von -170°C arbeiten zu können. Dennoch kann eine Heizung mit einer Leistung von 10 Watt zugeschaltet werden.

SWAP

SWAP steht für Solar Wind Around Pluto, wie unschwer zu erkennen ist, beschäftigt es sich mit dem Sonnenwind um Pluto. Es ist ein Plasmaspektrometer und besteht aus zwei verschiedenen Instrumenten.

Darunter ist PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation), ein Spektrometer, das Ionen, Protonen und Elektronen mit einer Energie zwischen 20-1000 keV detektieren kann. Es ist ausgelegt zur Erforschung der Wechselwirkung von Plutos Atmosphäre mit dem Sonnenwind, einem Strom aus geladenen Teilchen. Die Atmosphäre ist zwar extrem dünn, dehnt sich dafür aber über tausende Kilometer aus.

So hat PEPSSI schon Millionen Kilometer vor der Ankunft bei Pluto begonnen zu arbeiten. Das Instrument basiert auf einem früheren Instrument an Bord der Merkursonde MESSENGER.

Der zweite Teil von SWAP ist der Student Dust Counter, er detektiert keine Teilchen, sondern kosmischen Staub und wurde von Studenten der Universität von Colorado entwickelt. Ein großer Detektor fängt den Staub ein, eine damit verbundene Box wertet die Signale des Detektors aus.

Detektiert werden können Teilchen mit einer Masse von mindestens 10-12 Gramm und einem Durchmesser von mindestens 0,5 Mikrometern, dass ist 160-mal weniger als die Dicke eines Blatts Papier. Das zeigt auch mal wieder, wie leer unser Sonnensystem ist: Pro Monat werden ungefähr ein bis zwei Teilchen bei Pluto detektiert, so die Schätzung.

Der Sensor ist so genau, dass er ein Teilchen von einem doppelt so großen Teilchen unterscheiden kann. Es war zudem das erste Mal, dass kosmischer Staub jenseits der Bahn des Uranus detektiert wurde. SWAP basiert übrigens auf Techniken der Sonde Deep Space 1, die im Rahmen des New-Millenium-Programms gestartet wurde.

ALICE

ALICE steht für An Ultraviolet Imaging Spectrometer und ist ein weiteres optisches Instrument, es beobachtet im ultravioletten Bereich und baut im wesentlichen auf einem Instrument der europäischen Kometenmission Rosetta auf. Auch dieses Instrument ist vor allem auf die Atmosphäre Plutos ausgelegt, der Druck und die Temperatur können sehr genau detektiert werden.

Auch nach einer Atmosphäre auf Charon wird gesucht, in den hohen Bereichen der Atmosphäre Plutos wird auch die Zusammensetzung bestimmt.

REX

REX steht für Radio Science Experiment und soll die Masse Plutos sehr präzise bestimmen, aber auch die Verteilung der Masse im Innern von Pluto und auch Charon soll gemessen werden.

Dafür sendet die Bodenstation ein starkes Signal an New Horizons, das dort vor Ort vermessen wird, Stärke, Frequenz und andere Parameter können gemessen werden. Ansonsten war es meist andersrum, die Raumsonde schickte ein Signal und auf der Erde wurde es ausgewertet.

Da Pluto aber so weit von der Erde entfernt ist und New Horizons zudem eine verhältnismäßig kleine Antenne hat, war dies hier kaum praktikabel.

Der Flug zum Pluto

Voll bepackt mit wissenschaftlichen Instrumenten startete New Horizons am 19.Januar 2006 mit einer Atlas V am Weltraumbahnhof Cape Canaveral in Florida. Bis zuletzt war nicht klar, ob man das Startfenster einhalten könnte, so wurde etwa ein Booster der Trägerrakete bei einem Hurrikane zerstört. Hätte man es nicht eingehalten, wäre der Vorbeiflug am Jupiter ausgefallen, das hätte die Flugzeit um Jahre verlängert und weniger Treibstoff übrig gelassen.

New Horizons verließ die Erde mit der größten Geschwindigkeit mit der je eine Sonde die Erde verließ – 16,21 km/s. Zunächst wurde die starke Rotation der Sonde gebremst, mehrere Kurskorrekturen brachten New Horizons dann auf Kurs zum Jupiter. Nach nur neun Stunden war die Mondbahn erreicht, nach 78 Tagen die Bahn des Mars, die Instrumente wurde kalibriert.

Nach dem Mars stand die Passage des Hauptgürtels an, einem Gürtel von Asteroiden zwischen Mars und Jupiter. Dort befinden sich tatsächlich hunderttausende Asteroiden, doch es ist so leer, dass sich ein Flug durch den Hauptgürtel eigentlich nicht unterscheiden lässt von einem Flug durch den Rest des Sonnensystem – zwischen den Asteroiden liegen viele hunderttausend Kilometer.

New Horizons traf auf einen Hauptgürtelasteroiden namens (132524) APL, aber in recht großer Entfernung von 101.867 Kilometern, das ist über ein Viertel der Distanz zwischen Erde und Mond. Der Asteroid bekam seinen Namen übrigens erst nach der Passage, er wurde zu Ehren der Forscher des Applied Physics Laboratory benannt, die an New Horizons beteiligt waren.

Nach nur einem Jahr war Jupiter erreicht, die Sonde nahm auch hier tatsächlich wissenschaftliche Daten auf, die Magnetosphäre und die Monde des Planeten wurden erforscht, etwa wurde ein Vulkanausbruch auf Io fotografiert.

New Horizons verließ den Jupiter mit einer zusätzlichen Beschleunigung von 3,89 km/s und einer Richtungsänderung zum Pluto. Das Manöver verkürzte die Flugzeit um Jahre – von nun an sollten es noch acht Jahre zum Pluto sein. In dieser Zeit passierte aber eigentlich nicht viel, die meiste Zeit verbrachte die Sonde im Ruhemodus. Beim Passieren der Bahn des Neptuns wurde einige Aufnahmen des Planeten mit seinem großen Mond Triton gemacht.

Ursprünglich war geplant, auch einige Neptun-Trojaner zu fotografieren, die Neptun auf seiner Bahn nachlaufen, doch hier näherte man sich nicht weiter als 180 Millionen Kilometer an, weshalb man keine Aufnahmen machte. Von dort an dauerte es aber auch nicht mehr lange bis zum Flug durch das Pluto-Charon-System.

Ergebnisse des Pluto-Flybys

Die Erforschung Plutos begann bereits 150 Tage vor der Ankunft, die Aufnahmen von LORRI waren dort bereits besser als die bereits bekannten des Hubble-Weltraumteleskops. Dort ließen sich lediglich sehr grobe Schwankungen der Helligkeit der Oberfläche messen, auf diesen Maßnahmen sind jedoch erste Oberflächendetails und auch die Rotation des Zwergplaneten deutlich erkennbar.

Auch ein Computerfehler zehn Tage vor Erreichen des Plutos konnte behoben werden.

new horizons und das ende der welt 2

Nach 9,5 Jahren Flugzeit dauerte der eigentliche Vorbeiflug nur wenige Stunden. In Zwischenzeit war viel passiert, auch in der Astronomie: 2006 verabschiedete die Internationale Astronomische Union auf ihrer 26.Generalversammlung in Prag eine neue Planetendefinition, die Pluto ausschloss und in die Gruppe der Zwergplaneten einordnete.

Doch das machte Pluto nicht weniger interessant, die oben beschriebenen Instrumente schlossen ihre Messungen fehlerfrei ab. New Horizons näherte sich Pluto bis auf 12.500 Kilometer, Charon bis auf 28.800 Kilometer.

Die vollständige Übertragung aller Daten dauerte 15 Monate und die Signale brauchten mit Lichtgeschwindigkeit 4,5 Stunden, so lange hieß es für die Wissenschaftler abwarten. In The Big Bang Theory wird der an der Mission beteiligte Astrophysiker Rajesh Koothrappali wahnsinnig, weil er befürchtete, die Raumsonde wäre durch Weltraumeis zerstört worden.

Glücklicherweise war das jedoch nicht der Fall und ihr könnt mir glauben, auch wenn ich nicht an der Arbeit beteiligt war, war ich mindestens genauso erleichtert wie Raj. Diese Sonde hat mich mein ganzes Leben lang begleitet, bei ihrem Start war ich nicht einmal ein Jahr alt und bei ihrer Ankunft am Pluto hatte ich bereits mein eigenes Forschungsprojekt – sie ist wohl das Raumfahrtprojekt, dem die junge Generation am nächsten steht.

Aber auch die wissenschaftliche Ausbeute hat die Missionsziele der NASA bei Weitem übertroffen. Man kann kaum alle Ergebnisse von New Horizons aufzählen, dafür würde selbst ein eigener Artikel nicht reichen, ich beschränke mich hier auf die meiner Meinung nach wichtigsten.

Monde

  • Die Monde des Plutos entstanden ähnlich wie der Erdmond durch eine Kollision.
  • Charon hat eine rötliche Polarregion, vermutlich ausgelöst durch Methan, welches durch kosmische Strahlung in Tholine umgewandelt wird.
  • Der kleine Mond Kerberos besteht aus zwei Teilen.
  • Pluto hat keine Ringe und keine weiteren Monde mit einem Durchmesser von über einem Kilometer.
  • Unter der Eiskruste Plutos könnte sich ein globaler Ozean aus flüssigem Wasser befinden.
  • Auf Charon gibt es Kryovulkanismus.
  • Pluto und Charon sind differenziert und haben einen Schalenaufbau.

Atmosphäre

  • Plutos Atmosphäre hat einen Oberflächendruck von etwa 0,3 Pascal und reicht bis in 3.000 Kilometer Höhe.
  • Stickstoff macht den Großteil von Plutos Atmosphäre aus, Methan und Kohlendioxid kommen vor.
  • Der Sonnenwind bläst fortlaufend Stickstoff aus der Atmosphäre.
  • Bis in 130 Kilometern Höhe kommen Aerosole vor.
  • In Plutos oberer Atmosphäre herrschen etwa -170°C.
  • Die Atmosphäre Plutos ist doppelt so groß wie gedacht, ein Ausfrieren konnte nicht beobachtet werden.
  • Wie die Erde hat Pluto einen blauen Himmel.
  • Vermutlich schneit es auf Pluto Tholine.

Vermessung und Kartierung

  • Über Plutos Oberfläche fließen Gletscher aus Stickstoff.
  • Die Sputnik-Tiefebene könnte noch heute geologisch aktiv sein.
  • Schliere auf der Oberfläche könnten durch Winde verursacht werden.
  • Vermutlich gibt es auch auf Pluto selbst Kryovulkane.
  • Auf Pluto gibt es zahlreiche Bergmassive aus Wassereis.
  • Rillen deuten auf tektonische Aktivitäten hin.
  • Einige andere Gebiete sind vermutlich bis zu vier Milliarden Jahre alt.
  • Die Temperaturen auf Pluto variieren zwischen -218°C und -240°C.
  • Pluto hat einen Durchmesser von 2.374 km und eine Masse von 1,303·1022 kg.

Die fünf Monde des Plutos wurden bezüglich Helligkeit, Masse und Größe kartiert, ich werde jetzt natürlich nicht die Daten jedes Mondes erwähnen, die kann man sich im Internet anschauen – genauso wie die zahlreichen Bilder von Oberflächendetails.

Vorbeiflug am Ende der Welt

Nun ja, und dann war es auch schon vorbei. Nach drei Stunden war der Vorbeiflug im wesentlichen abgeschlossen. Pluto lag nun hinter der Sonde, aber der Großteil des Kuipergürtels noch vor ihr. Nachdem alle Daten der Plutopassage zur Erde geschickt wurden, versetzte New Horizons sich wieder in Winterschlaf.

Die ursprüngliche Mission sollte hier zu Ende sein, doch es war noch genug Treibstoff übrig und die wichtigen Systeme funktionierten alle noch. Und so entschied sich die NASA, den Kuipergürtel-Asteroiden (486958) Arrokoth anzusteuern, er lag in Reichweite der Sonde.

Das ist in vielerlei Hinsicht etwas Besonderes, dieser Asteroid ist noch einmal ein gutes Stück weiter von der Sonne entfernt als Pluto, die Signale brauchen hier bereits sechs Stunden, gäbe es eine Zugstrecke dorthin, würde man über 5.200 Jahre für die Strecke benötigen.

Noch nie wurde ein Himmelskörper in so großer Entfernung erforscht, es ist erst das zweite besuchte Objekt des Kuipergürtels und in vielerlei Hinsicht interessant.

Pluto gehört zwar zum Kuipergürtel, weist aber geologische Aktivität auf, daher werden dort Spuren schnell verwischt. (486958) Arrokoth hingegen ist ein kleiner Asteroid völlig ohne geologische Aktivität, er hat sich seit der Entstehung des Sonnensystems wohl kaum verändert.

Eine Zeit lang trug (486958) Arrokoth den Namen Ultima Thule. Dieser Name ist irgendwie sinnvoll, aber auch problematisch. Sinnvoll ist er, weil die sagenhafte Insel Thule lange das Ende der bekannten Welt darstellte. Sie sollte sechs Tagesfahrten nördlich von Britannien liegen und das nördlichste Land sein.

Ultima Thule ist dann sozusagen das Land jenseits von Thule. Das trifft natürlich schon zu, denn (486958) Arrokoth ist in gewisser Maßen heute das Ende der bekannten Welt, zumindest das der direkt erforschten Welt. 

Doch der mythologische Ort Thule wurde auch von den Nazis missbraucht, die 11.918 HE in München gegründete Thule-Gesellschaft war ein Wegbereiter der Nazi-Diktatur. Auch heute gibt es noch gibt es das Thule-Seminar, einen offen rechtsextremistischen Haufen, diesen schlechten Menschen möchte man einen großen Fortschritt der Menschheit natürlich nicht widmen.

Unabhängig vom Namen ist (486958) Arrokoth jedenfalls sehr interessant. Als New Horizons den Himmelskörper traf, fand sie heraus, dass er wie ein Schneemann aussieht und aus zwei rundlichen Objekten besteht, die einander berühren. Vermutlich verschmolzen sie vor langer Zeit.

(486958) Arrokoth erscheint rötlich, hat keine Monde, keine Atmosphäre und keine Ringe, dafür ist aber vor allem der größere der beiden Himmelskörper deutlich stärker abgeflacht als gedacht – ein Pancake statt ein Schneemann.

ultima thule aufgenommen von new horizons
New Horizons Detailaufnahme von (486958) Arrokoth

Noch sind aber nicht alle Daten von der Passage in der Silvesternacht 12.018 HE übertragen (Was meint ihr, was ich in dieser Nacht gemacht habe?), das wird erst Ende 12.020 HE so weit sein. Bis dahin werden wir sicher noch einiges erfahren über den gefrorenen Stein am Ende der Welt.

Wie geht es weiter?

Naja, natürlich ist „Ultima Thule“ nicht das Ende der Welt, auch nicht das Ende des Sonnensystems. Es gibt noch zahlreiche Aufgaben, die New Horizons nun erfüllt, sie wird als Beobachtungsplattform für Objekte des Kuipergürtels genutzt, auch ohne einen dichten Vorbeiflug ließen sich zum Beispiel große Monde oder Ringe finden.

Im Kuipergürtel in etwa 50 Astronomischen Einheiten befindet sich die Sonde zudem in einem Bereich, in dem der Sonnenwind langsam schwächer wird. So detektiert New Horizons derzeit quasi permanent Plasma, Staub und Gase. Zudem kann die Entfernung einiger Sterne besser gemessen werden, denn die scheinbare Veränderung des Ortes eines Sterns je nach Beobachtungsort ist von seiner Entfernung abhängig.

Wenn wir etwa unseren Daumen vor die Augen halten und dann abwechselnd ein Auge verdecken, scheint der Daumen hin- und herzuhüpfen. Je weiter der Daumen entfernt ist, desto geringer fällt die scheinbare Änderung des Ortes aus. Bei Sternen reicht es natürlich nicht, sich einfach abwechselnd die Augen zuzuhalten, noch nicht mal quer auf der Erde verteilte Teleskope reichen aus.

Durch die Bewegung der Erde um die Sonne müssen wir natürlich einfach nur warten, bis wir einen anderen Beobachtungsort haben, aber diese Ortsveränderung ist viel geringer als wenn wir Messungen von New Horizons mit Messungen der Erde vergleichen, hier liegt die Distanz schließlich bei 46 Astronomischen Einheiten, statt bei zwei.

Selbst der Anflug auf ein zweites kleines Kuipergürtel-Objekt wird in Erwägung gezogen, man sucht derzeit nach Zielen in Reichweite, sowohl mit erdgebundenen Teleskopen, als auch mit dem Hubble-Weltraumteleskop. Aber irgendwann wird die Mission enden. Die Kommunikation mit dem Deep Space Network ist bis in etwa 200 Astronomische Einheiten möglich, so weit wird die Sonde etwa 12.070 HE sein.

Doch so lange wird New Horizons keine Messungen vornehmen können, denn die in den Radioisotopenbatterien generierte Energie nimmt durch die stetig abnehmende Zerfallsrate des Plutoniums-238 wie gesagt ebenfalls ab. Man vermutet, dass die Energieversorgung bis mindestens 12.035 HE gesichert ist, vielleicht länger.

Das ist natürlich ein sehr kritischer Zeitpunkt, denn New Horizons wird sich bis dahin in einer Entfernung von 90 Astronomischen Einheiten befinden. Daten der Voyager-Sonden zeigen, dass sich in dieser Entfernung eine besondere Region befindet, der Terminationsschock. Die Geschwindigkeit des Sonnenwinds sinkt hier unter die Schallgeschwindigkeit.

Dadurch wird der Sonnenwind durch das interstellare Medium beeinflusst, abgebremst und komprimiert, eine riesige Magnetwand entsteht. Doch die Frage ist, ob diese Zone unser Sonnensystem kugelförmig umhüllt oder in unterschiedliche Richtungen unterschiedlich geformt ist.

Da New Horizons das Sonnensystem in eine ganz andere Richtung verlässt als Voyager 1 und Voyager 2, könnte sie diese Frage lösen – wenn sie denn bis in diese Entfernung sendet, aber das gilt inzwischen als wahrscheinlich. Aus dem interstellaren Raum werden wir jedoch vermutlich keine Signale mehr empfangen, der wird etwa 12.047 HE erreicht.

bahn von new horizons aus dem sonnensystem
Die Bahn von New Horizons aus dem Sonnensystem heraus

Dann kommt wohl erstmal recht lange nichts, im 127. Jahrhundert (27.Jahrhundert nach gregorianischer Zeitrechnung) wird New Horizons die Grenzregion unseres Sonnensystems passieren, die Oortsche Wolke, eine sphärische Kometenwolke am Rand des Sonnensystems. Irgendwann wird sie auch diese hinter sich lassen und zu fremden Sternen fliegen.

Dabei wird sie kulturelle Fracht an Bord haben: Eine Briefmarke, Münzen, ein Bauteil eines SpaceShipOnes, eines Flugzeugs für den Weltraumtourismus, und die Asche des Pluto-Entdeckers Clyde Tombaugh. Sie wird auf ewig ein stiller Botschafter der Menschheit bleiben und die Nachricht unserer Existenz in Welten bringen, die nie ein Mensch zuvor gesehen hat – und vermutlich auch nie sehen wird…

New Horizons 2?

Doch womöglich wird auch der Pluto bald noch einmal Besuch bekommen, denn im Grunde hat New Horizons zwar unglaublich viele Fragen geklärt, aber noch viel mehr aufgeworfen, erst recht die Suche nach Kryovulkanismus und einem subglazialen Ozean ist wirklich sehr interessant.

Die Idee, die Hardware von New Horizons für eine zweite Sonde zu nutzen, ist alt, so gab es bereits vor dem Start die Idee für eine Raumsonde zu Uranus und einigen Kuipergürtel-Objekten. Doch es gelang nicht, genug Plutonium für die Radioisotopenbatterien aufzutreiben.

Die Ideen für einen Pluto-Orbiter oder sogar einen Lander, wie Russland ihn plante, liegen jedoch noch immer in den Schubladen. Mittlerweile wären solche Pläne realisierbar, etwa mit Plasmaantrieben in nur vier Jahren.

Eine weitere Nachfolgemission könnte Pluto Hop, Skip and Jump sein, hier soll ein Ballon eine Landesonde absetzen, die dann durch Sprünge auf dem Pluto von Ort zu Ort hüpft. Dadurch, dass auf Pluto nur 0,06% der Erdgravitation herrschen, wäre das durchaus machbar.

Die Landesonde ließe sich innerhalb von zehn Jahren entwickeln, sodass sie 12.030 HE zum 100. Jahrestag der Entdeckung Plutos starten könnte. Und wer weiß schon, vielleicht gibt es in seinem subglazialen Ozean primitive Formen von Leben, vielleicht gibt es noch heute Plattentektonik, vielleicht betreten eines fernen Tages sogar Menschen den Pluto. Wie auch immer es weitergeht, wir werden dabei gewesen sein, als es anfing, mit New Horizons.

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1 Comment

  • Jan
    Jan

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