New Horizons

Grafik: Sonde New Horizons

New Horizons ist eine Raumsonde der NASA, die im Rahmen des New-Frontiers-Programmes den Zwergplaneten Pluto, seinen Mond Charon sowie nach Möglichkeit zwei weitere im Jahr 2005 neu entdeckte kleinere Monde namens Nix und Hydra und den 2011 entdeckten noch kleineren Mond S/2011 (134340) 1 erforschen soll. New Horizons ist die erste Raumsonde, die Pluto aus der Nähe untersuchen soll. Es ist geplant, die Sonde im Juli 2015 in 9.600 km Entfernung an Pluto und in 27.000 km Entfernung an Charon vorbeifliegen zu lassen.

Die Sonde wurde am 19. Januar 2006 um 19:00 Uhr UTC an Bord einer Atlas-V(551)-Trägerrakete gestartet. Nach einem Swing-by-Manöver vorbei am Jupiter, das am 28. Februar 2007 stattfand, soll sie ihr Ziel am 14. Juli 2015 erreichen und schließlich weiter in den Kuipergürtel fliegen.

Das Projekt wird vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, USA geleitet. Die Kosten, einschließlich der Entwicklung und des Baus der Raumsonde sowie ihrer Instrumente, der Trägerrakete und der Missionsdurchführung bis zum Jahr 2016 betragen etwa 700 Millionen Dollar.

New Horizons in der Montagehalle

Missionsziele

Eine vom Hubble-Weltraumteleskop erstellte Karte der Oberfläche des Pluto

Pluto wurde bisher von keiner Raumsonde besucht. Da er sehr weit von der Sonne entfernt ist, können selbst die stärksten Teleskope kaum Details auf seiner Oberfläche ausmachen. So erreicht die Auflösung der besten mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnenen Aufnahmen nur 500 km pro Bildpunkt. Somit können Pluto und seine Monde nur durch Raumsonden umfassend studiert werden. Die NASA unterteilte die Missionsziele der Sonde in drei Prioritätskategorien, je nachdem, was die Wissenschaftler über Pluto und Charon erfahren wollen (da die Ende 2005 und Mitte 2011 entdeckten Monde Hydra, Nix und S/2011 (134340) 1 zu dem Zeitpunkt unbekannt waren, sind sie hier nicht berücksichtigt):

Erforderlich

• Beschreibung des globalen geologischen Aufbaus und der Geomorphologie von Pluto und Charon
• Kartierung der Zusammensetzung der Oberflächen von Pluto und Charon
• Beschreibung der neutralen (nicht ionisierten) Atmosphäre von Pluto und ihrer Fluchtrate

Wichtig

• Beschreibung der zeitabhängigen Veränderlichkeit der Oberfläche und der Atmosphäre von Pluto
• Stereo-Aufnahmen von Pluto und Charon
• Kartierung der Tag-Nacht-Grenzen (Terminator) von Pluto und Charon in hoher Auflösung
• Kartierung ausgewählter Oberflächengebiete von Pluto und Charon in hoher Auflösung
• Beschreibung der Ionosphäre Plutos und ihrer Wechselwirkung mit dem Sonnenwind
• Suche nach bestimmten chemischen Verbindungen wie Wasserstoff, Cyanwasserstoff, Kohlenwasserstoffen und Nitrilen in der oberen Atmosphäre Plutos
• Suche nach einer Atmosphäre bei Charon
• Bestimmung der bolometrischen Helligkeiten der geometrischen Albedos von Pluto und Charon
• Kartierung der Oberflächentemperaturen von Pluto und Charon

Wünschenswert

• Beschreibung der Umgebung der energiereichen Teilchen in der Nähe von Pluto und Charon
• Verfeinerung der Parameter (Radien, Massen, Dichten) und der Umlaufbahnen von Pluto und Charon
• Suche nach Magnetfeldern bei Pluto und Charon
• Suche nach Planetenringen und weiteren Monden

Die NASA definiert die Mission von New Horizons als erfolgreich, wenn alle als erforderlich eingestuften Ziele erreicht werden. Mit Hilfe ihrer sieben Instrumente soll die Sonde sämtliche Ziele aller Prioritätskategorien erreichen und damit diese Anforderungen bei weitem übertreffen können.

Außerdem gehörte zu den Missionszielen von New Horizons die Erforschung des Jupiters, an dem die Sonde im Februar und März 2007 vorbeiflog. Die Raumsonde beobachtete Wolkenbewegungen auf Jupiter, studierte die Magnetosphäre des Planeten und hielt Ausschau nach Polarlichtern und Blitzen in Jupiters Atmosphäre. Über die vier großen Galileischen Monde konnte allerdings nur eine begrenzte Anzahl wissenschaftlicher Daten gewonnen werden, da die Sonde diese in einer relativ großen Entfernung passierte.

Sollte die Finanzierung des wissenschaftlichen Betriebes der Raumsonde über die 2016 endende Primärmission hinaus gesichert sein, können auch eines oder mehrere Objekte im Kuipergürtel angeflogen und untersucht werden.

Technik

Schematische Darstellung von New Horizons

Struktur der Raumsonde ohne RTG und Thermalisolation

Die New Horizons-Raumsonde hat etwa die Größe eines Konzertflügels und die Form eines Dreiecks mit einem zylinderförmigen Radioisotopengenerator (RTG), der an einer Spitze des Dreiecks angebracht ist. Außerdem verfügt sie über eine 2,1-m-Parabolantenne zur Kommunikation mit der Erde, die an einer Seite des Dreiecks befestigt ist. Die Abmessungen des Sondenkörpers ohne den RTG und ohne die Antenne sind: 0,7 m hoch, 2,1 m lang und 2,7 m an der breitesten Stelle. Die Gesamthöhe der Sonde vom Nutzlastadapter bis zum oberen Ende der Antenne beträgt 2,2 m. Die Gesamtmasse inklusive 77 kg Treibstoff und 30 kg wissenschaftlicher Nutzlast beträgt 478 kg. Bei einem Flug ohne einen Swing-By am Jupiter hätte die Startmasse der Sonde bei etwa 20 kg weniger gelegen. Die Differenz hätte jedoch nur die Menge des mitgeführten Treibstoffs betroffen und ergibt sich aus der Tatsache, dass die Trägerrakete bei einem direkten Start zum Pluto höhere Endgeschwindigkeit erreichen muss und so weniger Nutzlast befördern kann. Die ursprünglichen Planungen sahen eine Startmasse der vollbetankten Sonde von 465 kg vor, nach der Verifizierung der Leistung der neuen Atlas-V-Trägerrakete durch vorangegangene Starts konnte die Startmasse etwas vergrößert werden.

Die tragende Struktur der Sonde besteht aus einem zentralen Aluminium-Zylinder, der den aus Titan gefertigten Treibstofftank beherbergt und als Nutzlastadapter zwischen Sonde und Trägerrakete sowie als Schnittstelle zwischen Sonde und RTG dient. Der RTG ist mit Hilfe eines vierseitigen Titan-Sockels an der Raumsonde befestigt. Um die Masse der Sonde gering zu halten, sind die Paneele des Sondenkörpers aus Aluminium in Sandwichbauweise mit sehr dünnen Frontalplatten gefertigt (so dick wie zwei Lagen Papier). Elektronik und Instrumente sind um den Zylinder herum gruppiert, wobei die Anordnung der Systeme auf die Schwerpunktlage Rücksicht nehmen musste.

New Horizons kann sowohl drei-Achsen-stabilisiert als auch spinstabilisiert betrieben werden. Drei-Achsen-Stabilisierung wird während wissenschaftlicher Beobachtungen und System- und Instrumententests angewandt, Spinstabilisierung (normalerweise mit fünf Umdrehungen pro Minute) während der Kurskorrekturmanöver, während langer Funkkontakte mit der Erde und während der Flugperioden. Um eine Spinstabilisierung während des Flugs zu ermöglichen, wurde die Sonde vor dem Start genau vermessen und mit zusätzlich angebrachten Ausgleichsmassen ausbalanciert.

An Bord von New Horizons befindet sich etwas Asche von Clyde Tombaugh, der 1930 Pluto entdeckte.^[1] Die Raumsonde trägt außerdem eine CD, die mit 430.000 Namen von Internet-Nutzern beschrieben ist, die sich auf der New-Horizons-Homepage für die „Send-Your-Name-to-Pluto“-Aktion angemeldet hatten.

Energieversorgung

RTG der New Horizons Raumsonde

Die Sonde wird durch einen mit etwa 10,9 kg Plutonium ²³⁸Pu gefüllten Radioisotopengenerator (RTG) des Modells GPHS-RTG mit Energie versorgt. Der RTG enthält 18 Module, die jeweils vier Kapseln mit je 151 Gramm Plutonium in Form von Plutoniumdioxid (PuO₂) enthalten. Die Kapseln wurden im Los Alamos National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) hergestellt.

Mitte 2004 wurden alle Arbeiten des Los Alamos National Laboratory, u. a. auch an dem Plutonium für New Horizons, gestoppt, da festgestellt wurde, dass angeblich einige Festplatten mit geheimen Informationen verschwunden waren. Dadurch wurde das gesamte New-Horizons-Projekt in Gefahr gebracht, da bei einer unzureichenden Energieversorgung die Sonde keine oder nur eingeschränkte Beobachtungen hätte durchführen können. Die Sicherheitsprobleme des Los Alamos National Laboratory konnten jedoch nach einiger Zeit gelöst werden, und die Arbeiten an den Plutoniumkapseln wurden wieder aufgenommen.

Ende 2005 wurde der RTG ausgeliefert und in die Sonde eingebaut. Allerdings enthält er wohl weniger Plutoniumkapseln als ursprünglich geplant. Vorgesehen war, dass die Leistung des Generators mit voller Plutonium-Ladung beim Start 285 W und 225 W beim Pluto-Vorbeiflug im Jahr 2015 betragen wird (unterwegs tritt eine Absenkung der Leistung aufgrund des Zerfalls von Plutonium ein). Nach den Problemen mit der Herstellung sprach DOE von etwa 190 W Leistung beim Vorbeiflug am Pluto. Dies wäre für einen normalen Betrieb der Sonde am Pluto ausreichend (mindestens 182 W sind nötig) und könnte die Sonde sogar bis etwa ins Jahr 2025 funktionsfähig halten. Nachdem im Oktober 2005 der nun fertiggebaute RTG Tests unterzogen wurde, stellte sich heraus, dass der Generator sogar etwas mehr Energie liefert als erwartet. Man geht nun von etwa 240 W am Anfang der Mission und 200 W beim Pluto-Vorbeiflug bei einer Gleichspannung von 30 Volt aus. Typisch für eine RTG-betriebene Mission verfügt New Horizons über keine Akkumulatoren.

Elektronik

New Horizons besitzt zwei Computersysteme: das Command and Data Handling System zur Steuerung der Sonde sowie zur Arbeit mit wissenschaftlichen Daten, und das Guidance and Control System zur Lagekontrolle. Jedes der Computersysteme ist aus Gründen der Redundanz doppelt vorhanden, so dass die Raumsonde über vier separate Rechnersysteme verfügt. Die Bordrechner verwenden jeweils einen Mongoose-V-Prozessor. Dieser ist eine 12 MHz schnelle, gegen Strahlung gehärtete Version des MIPS-R3000-Prozessors.

Das Command and Data Handling System verfügt über zwei Flash-Recorder (eines dient als Reserve) mit jeweils 8 GByte (64 Gbit) Speicherkapazität, um die während des Betriebs der Instrumente gewonnenen wissenschaftlichen Daten zwischenzuspeichern, bevor sie zur Erde übertragen werden können.

Um Platz und Gewicht zu sparen, sind die Elektronik der Raumsonde und die Schnittstellen zur Elektronik ihrer Instrumente in einem „Integrated Electronics Module“ (IEM) untergebracht. An Bord befinden sich zwei redundante IEM.

Kommunikation

Die Antennen der New Horizons Raumsonde: HGA, MGA und eine der beiden LGAs

Das Kommunikationssystem der Raumsonde arbeitet im X-Band und verfügt über eine 2,1-m-Parabol-Hochgewinnantenne (High Gain Antenna – HGA) mit einem Öffnungswinkel von 0,3 Grad, eine 30-cm-Mittelgewinnantenne (Medium Gain Antenna – MGA) mit einem Öffnungswinkel von 14 Grad und zwei Rundstrahlantennen mit niedrigem Gewinn (Low Gain Antenna – LGA), die sich auf entgegengesetzten Seiten der Raumsonde befinden. Alle Antennen sind fest am Sondenkörper angebracht. Die HGA- und die MGA-Antennen der Sonde müssen auf die Erde ausgerichtet werden, um sie nutzen zu können. Die Sonde verfügt über zwei redundante 12 Watt Wanderfeldröhrenverstärker, die unter der HGA montiert sind.

Die Hochgewinnantenne und die Mittelgewinnantenne werden zur Datenübertragung genutzt, die Datenübertragungsrate der HGA zu einer 70-m-Antenne des Deep Space Networks beträgt in der Nähe Plutos etwa 700 Bit pro Sekunde (am Jupiter noch 38 kbit pro Sekunde). (Die wesentlich älteren Voyager-Sonden senden auf einer niedrigeren Frequenz und erreichen nur 8 bit/s.)

Für den Fall, dass die Sonde nicht auf die Erde ausgerichtet werden kann und diese Antennen nicht zur Verfügung stehen, können die beiden Rundstrahlantennen (LGA) der Sonde verwendet werden. Diese brauchen nicht ausgerichtet zu sein, erreichen aber nur sehr niedrige Datenübertragungsraten. Da die Sonde jedoch über zwei dieser Antennen auf entgegengesetzten Seiten verfügt, kann sie aus allen Richtungen senden als auch empfangen. Sie werden während des Starts und zur Kommunikation in der Nähe der Erde verwendet und dienen darüber hinaus einer Absicherung der Kommunikation in einem Notfall.

Um die Betriebskosten der Sonde zu senken, wird New Horizons die Flugstrecke zwischen Jupiter und Pluto in einer Art „Winterschlaf“ (hibernation mode) verbringen. Dabei wird die Sonde einmal pro Jahr für 50 Tage „aufgeweckt“, um Funktionstests durchzuführen und genaue Flugparameter zu bestimmen. Für die restliche Zeit wird die Sonde in eine langsame Rotation versetzt. Sie wird lediglich einmal pro Woche ein Signal zur Erde senden, dessen Frequenz entweder den normalen Betrieb der Sonde oder einen der sieben Fehlermodi anzeigt. Diese Art der Kommunikation wurde mit Deep Space 1 erprobt, New Horizons ist die erste Raumsonde, die sie im operativen Einsatz verwendet.

Antriebssystem

Das Antriebssystem der Raumsonde wird nur für Kurskorrekturen und zur Lageregelung verwendet. Es ist nicht vorgesehen, nach dem Abtrennen der Raketenoberstufe die Sonde stark zu beschleunigen bzw. abzubremsen, wie es beispielsweise bei einer Orbiter-Mission notwendig wäre. Das Antriebssystem besteht aus 16 Triebwerken, die Hydrazin katalytisch zersetzen und an acht verschiedenen Stellen der Sondenoberfläche angebracht sind. Davon liefern vier größere Triebwerke, die meist für Kurskorrekturen verwendet werden, einen Schub von 4,4 Newton sowie 12 kleinere Triebwerke einen Schub von 0,8 Newton. Die kleineren Triebwerke dienen der Ausrichtung der Sonde sowie dem Einleiten und dem Stoppen der Rotation. Die Hälfte der 16 Triebwerke dienen als Reserve.

Die Sonde führt 77 kg Hydrazin an Bord, welches ausreichen würde, um die Geschwindigkeit der Sonde um ca. 400 m/s (1440 km/h) zu ändern (minimal waren bei der Missionsplanung 290 m/s vorgesehen). Den größten Teil dieses Treibstoffes plant man zu verwenden, um eines oder mehrere Kuipergürtel-Objekte nach dem Pluto-Vorbeiflug ansteuern zu können. Um den Treibstoff unter Druck zu setzen, wird Helium-Gas verwendet.

Navigationssystem

Navigationssysteme und Sensoren liefern Informationen zu Position, Kurs und räumlicher Ausrichtung der Sonde während des Flugs. Diese Daten sind entscheidend, um genaue Kurskorrekturmanöver ausführen zu können, um die Instrumente auf die Ziele und um die Antenne auf die Erde ausrichten zu können.

Zur Navigation werden zwei redundante Sternkameras (Star Tracker), Inertial Measurement Units (IMUs) und Sonnensensoren verwendet. Die Navigationsdaten werden durch das Guidance-and-Control-Computersystem verarbeitet, welches die Lage der Sonde durch das Zünden der kleinen Hydrazin-Triebwerke kontrolliert. Eine der Sternkameras macht zehnmal pro Sekunde eine Weitwinkelaufnahme des Sternenhintergrundes und vergleicht sie mit einer gespeicherten Sternenkarte, die 3000 Sterne enthält. Dadurch wird die genaue Ausrichtung der Sonde sowohl im Drei-Achsen-stabilisierten als auch im spinstabilisierten Betrieb bestimmt. Die IMUs, welche aus Gyroskopen und Beschleunigungsmessern bestehen, liefern 100 Mal pro Sekunde Informationen zu Bewegungen der Sonde. Die Sonnensensoren dienen der Ausrichtung der Sonde auf die Sonne (und damit aus großer Entfernung auch auf die Erde) zur Sicherstellung einer Kommunikation im Falle des Versagens anderer Navigationssysteme. Diese Sensoren sind sehr einfach aufgebaut und liefern als Antwort nur, ob sie die Sonne sehen oder nicht.

Temperaturkontrolle

New Horizons ist so konzipiert, dass der Sondenkörper die von der Elektronik erzeugte Wärme wie eine Isolierkanne behalten kann. Bei der großen Entfernung zur Sonne ist dies erforderlich, um Temperaturen von 10–30 °Celsius im Inneren der Sonde einhalten zu können. Dazu ist der Sondenkörper inklusive der großen Antenne mit einer leichtgewichtigen, goldfarbenen Bedeckung versehen, die aus 18 Lagen Dacron-Gewebe besteht, die zwischen einem aluminisierten Mylar-Gewebe und einer Kapton-Folie liegen. Neben der thermischen Isolation dient diese Bedeckung auch dem Mikrometeoritenschutz.

Ein automatisches Heizsystem überwacht den Energieverbrauch im Inneren der Sonde, um sicherzustellen, dass alle Geräte mit genügender Leistung arbeiten und somit genug Wärme abgeben. Fällt der Energieverbrauch unter etwa 150 Watt, werden kleine Heizgeräte im Inneren der Sonde eingeschaltet, um den Leistungsunterschied auszugleichen. Wenn sich die Sonde in der Nähe der Erde und damit auch der Sonne befindet, können die Temperaturen die sicheren Werte übersteigen. Für diesen Fall verfügt die Sonde über eine Art Jalousiesystem („Louvres“) mit Lamellen, die geöffnet werden, um übermäßige Wärme in den Weltraum abzustrahlen. Im geschlossenen Zustand sorgt die helle Außenfläche der Lamellen für eine geringe Abstrahlung.

Instrumente

Die Sonde trägt sieben wissenschaftliche Instrumente, die im Folgenden beschrieben werden. Dabei werden einige Instrumente in Gruppen zusammengefasst: so enthält Pluto Exploration Remote Sensing Investigation (PERSI) die Instrumente Ralph und Alice und Particle Spectrometer Suite (PAM) die Instrumente SWAP und PEPSSI. Die Instrumente wiegen zusammen etwa 30 kg und verbrauchen gemeinsam etwas unter 28 Watt elektrischer Leistung.^[2]

Ralph vor dem Einbau in die Sonde

Ralph

Ralph soll sowohl farbige Karten der Oberflächen von Pluto und Charon mit einer Auflösung von bis zu 250 m pro Pixel erstellen, als auch die Zusammensetzung der Oberflächen beider Körper kartieren. Dazu verfügt das Instrument über ein 6-cm-Teleskop, dessen eingesammeltes Licht zu zwei getrennten Kanälen geleitet wird: der Multispectral Visible Imaging Camera (MVIC), welche über vier CCDs für Farbbilder mit drei CCDs für panchromatische (schwarz-weiße) Bilder verfügt, und dem Linear Etalon Imaging Spectral Array (LEISA). Dabei arbeitet MVIC im sichtbaren Lichtbereich bei 400-950 nm Wellenlänge und LEISA im infraroten Bereich bei 1,25-2,50 µm Wellenlänge. Die Auflösung des MVIC beträgt 20 µrad, des LEISA 62 µrad. Ralph wiegt 10,3 kg und benötigt im Mittel 6,3 Watt Leistung. Das Instrument wurde von Ball Aerospace, Goddard Space Flight Center der NASA und dem Southwest Research Institute entwickelt.

Alice

Ein abbildender Ultraviolett-Spektrometer zur Untersuchung der Atmosphäre von Pluto. Alice kann in zwei Modi betrieben werden: dem „airglow“-Modus, bei dem die Emissionen der Atmosphäre gemessen werden, und dem „occultation“-Modus, bei dem das Instrument auf die Sonne oder auf einen anderen leuchtstarken Stern durch die Atmosphäre Plutos gerichtet wird und die Zusammensetzung der Atmosphäre durch das Absorbieren des Sonnenlichts bestimmt. Alice arbeitet im ultravioletten Lichtbereich bei 50-180 nm Wellenlänge und besteht aus einem kompakten Teleskop, einem Spektrograf und einem Sensor, welcher 32 getrennte Flächen („Pixel“) mit je 1.024 spektralen Kanälen aufweist. Alice wiegt 4,5 kg und benötigt im Mittel 4,4 Watt Leistung. Das Instrument ist eine weiterentwickelte Version des Alice-Instrumentes der europäischen Rosetta-Sonde, welches ebenfalls aus den USA kam, und wurde vom Southwest Research Institute entwickelt.

LORRI wird eingebaut

LORRI (Long Range Reconnaissance Imager)

Eine hochauflösende CCD-Kamera für sichtbares Licht, die an einem 20,8-cm-Teleskop montiert ist. Das Instrument verfügt über einen sehr einfachen Aufbau, es gibt keine Farbfilter oder bewegliche Teile. LORRI wird als erstes Instrument bereits 120 Tage vor der Begegnung mit Pluto Bilder des Zwergplaneten und seiner Monde aufnehmen, die zu diesem Zeitpunkt kaum weiter als zu einzelnen Lichtpunkten aufgelöst werden können. 90 Tage vor der Begegnung wird LORRIs Auflösung allerdings bereits die des Hubble-Weltraumteleskopes übertreffen. Bei dem nahen Vorbeiflug am Pluto wird LORRI Strukturen bis 50 m Größe auflösen können. LORRI wiegt 8,8 kg und benötigt im Mittel 5,8 Watt Leistung. Das Instrument wurde vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.

REX (Radio Experiment)

Ein Radiowellenexperiment, das mit der Hauptantenne der Sonde durchgeführt wird. Dazu werden nach dem Passieren des Pluto mit Hilfe von Antennen des Deep Space Networks Signale zur Sonde gesendet, die während des Transits durch Plutos Atmosphäre verändert werden und in diesem Zustand zu New Horizons gelangen. Die Signale werden gespeichert und später zurück zur Erde übertragen. Dadurch lässt sich die Zusammensetzung der Atmosphäre studieren. Das Experiment selbst besteht aus einer kleinen, 100 g schweren, Leiterplatte mit Signalverarbeitungselektronik, die im Kommunikationssystem der Raumsonde integriert ist und im Mittel 2,1 Watt Leistung benötigt. Da das komplette Kommunikationssystem redundant ist, verfügt New Horizons über zwei Kopien von REX. Das Experiment wurde von der Stanford University und dem Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.

SWAP montiert auf New Horizons

SWAP (Solar Wind Analyzer around Pluto)

Ein Instrument, mit dem geladene Teilchen mit Energien bis zu 6,5 keV, die aus Plutos Atmosphäre entweichen und vom Sonnenwind mitgerissen werden, gemessen werden. Dadurch wird festgestellt werden können, ob Pluto über eine Magnetosphäre verfügt. Weiterhin kann der Sonnenwind in der Nähe von Pluto studiert werden. Außerdem werden so Daten über die Atmosphäre gesammelt. SWAP wiegt 3,3 kg und benötigt im Mittel 2,3 Watt Leistung. Das Instrument wurde vom Southwest Research Institute entwickelt.

PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation)

ist ein Ionen- und Elektronenspektrometer, das nach neutralen Atomen, die aus Plutos Atmosphäre entweichen und vom Sonnenwind aufgeladen werden, suchen wird. In das Instrument eintretende Ionen mit Energien von 1-5000 keV und Elektronen mit Energien von 20-700 keV werden erfasst, wobei die Masse und Energie jedes einzelnen Partikels gemessen wird. PEPSSI wiegt 1,5 kg und benötigt im Mittel 2,5 Watt Leistung. Das Instrument wurde vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.

Der von Studenten gebaute Staubpartikelzähler

Venetia (Venetia Burney Student Dust Counter)

ist ein Instrument zur Messung von Staubpartikeln entlang der gesamten Flugroute. Venetia wurde von Studenten der University of Colorado entwickelt und ist das erste von Studenten gebaute Instrument auf einer planetaren Mission der NASA. Das Gerät hieß zunächst Student-built Dust Counter (SDC), wurde aber im Juni 2006 zu Ehren der Britin Venetia Burney Phair benannt, die 1930 vorgeschlagen hatte, den neuentdeckten Planeten 'Pluto' zu nennen. Das Instrument Venetia wird die auftreffenden Staubpartikel zählen und ihre Masse bestimmen können und wird als erstes Instrument dieser Art weiter als 18 AE von der Erde betrieben und so Informationen zur Kollisionsrate von Asteroiden, Kometen und Kuipergürtelobjekten im äußeren Sonnensystem liefern. Auch in Plutos System wird nach eventuellen Staubpartikeln Ausschau gehalten. Venetia besteht aus einer 46 × 30 cm großen Detektorplatte, die auf der Außenhaut der Sonde angebracht ist, und einer Elektronikbox im Inneren der Sonde. Es können Partikel mit einer Masse von 4×10^-15 bis 4×10^-12 kg erfasst werden. Venetia wiegt 1,9 kg und benötigt im Mittel 5 Watt Leistung.

Ablauf der Mission

Start von New Horizons an Bord einer Atlas V 551-Trägerrakete

Bereits seit Anfang der 1990er Jahre gab es Bestrebungen, eine solche Mission zu Pluto zu starten. Vorrangig war dabei, Pluto zu erreichen, bevor seine dünne Atmosphäre ausfriert, denn die Umlaufbahn des Zwergplaneten ist stark exzentrisch, und Pluto erreichte den sonnennächsten Punkt seiner Umlaufbahn (Perihel) bereits 1989 (diese frühere Annahme, dass die Atmosphäre nach der Passage des sonnennäheren Bahnbereiches bald ausfrieren würde, konnte bislang nicht bestätigt werden). Gegenwärtig entfernt er sich von der Sonne, sodass es auf Pluto immer kälter wird; erst im Jahr 2247 wird er sein nächstes Perihel einnehmen. Die ersten Konzepte einer Mission jedoch (Pluto Fast Fly-By, Pluto Kuiper Express) scheiterten an technischen und finanziellen Schwierigkeiten. Ende 2000 gab es mit New Horizons einen neuen Vorschlag einer Pluto-Mission. Schließlich wurde dieser Vorschlag am 29. November 2001 als erste Mission des neu geschaffenen New Frontiers-Programms zur Realisierung genehmigt.

Die Instrumente der Sonde wurden zwischen Juli 2004 und März 2005 ausgeliefert, Zusammenbau und Prüfung liefen von August 2004 bis Mai 2005. Vom Mai bis September 2005 wurde die fertig gebaute Sonde ausgiebig getestet, am 24. September 2005 erfolgte der Transport nach Cape Canaveral.

Ende Oktober beschädigte in Cape Canaveral der Hurrikan Wilma einen Feststoffbooster der fast fertig montierten Atlas-V-Trägerrakete für New Horizons, als ein Tor der Montagehalle dem Winddruck nicht standhielt. Der Booster konnte jedoch noch rechtzeitig vor dem geplanten Starttermin am 11. Januar 2006 ausgetauscht werden.

Am 16. Dezember 2005 ordnete die NASA eine zusätzliche Überprüfung der Tanks der ersten Stufe an, weil bei einem Druckbelastungstest einer anderen Atlas-Rakete diese Stufe der geforderten Maximalbelastung nicht standgehalten hatte. Dadurch verschob sich der zunächst für den 11. Januar angesetzte Starttermin um sechs Tage auf den 17. Januar 2006.

Start

Startfenster 2006
Startdatum	Ankunftsdatum
11.–27. Januar	14. Juli 2015
28. Januar	15. August 2015
29.–31. Januar	12. Juli 2016
1.–2. Februar	11. Juli 2017
3.–8. Februar	10. Juli 2018
9.–12. Februar	7. Juni 2019
13.–14. Februar	20. Juli 2020
Startfenster 2007
2.–15. Februar	2019–2020

Das Startfenster öffnete sich am 11. Januar 2006 und blieb bis zum 14. Februar 2006 bestehen. Allerdings wäre nur bei einem Start bis einschließlich 2. Februar ein Vorbeiflug (Swing-By-Manöver) am Jupiter möglich gewesen. Danach hätte man Pluto nur auf direktem Weg erreichen können, was die Flugzeit um mehrere Jahre verlängert und die Menge des mitführbaren Treibstoffes um 20 kg reduziert hätte.

Nachdem der geplante Start am 17. Januar 2006 wegen zu starken Windes mehrmals verschoben werden musste, sollte New Horizons am 18. Januar 2006 starten. Auch dieser Termin konnte wegen eines Stromausfalls in der Bodenstation der Johns Hopkins University nicht gehalten werden. Am 19. Januar startete New Horizons nach mehreren Verschiebungen wegen dichter Bewölkung schließlich um 19:00 Uhr UTC (Startfenster war von 18:07 bis 20:07 Uhr UTC offen) von Launch Complex 41. Nach 44 Minuten und 55 Sekunden wurde die Sonde von der Rakete in ihrer endgültigen Flugbahn ausgesetzt.

Der Start erfolgte mit einer Atlas V(551)-Rakete. Obwohl die Atlas V 551 derzeit eine der stärksten Trägerraketen der Welt ist, musste die Rakete mit einer zusätzlichen Star-48B-Stufe ausgestattet werden, um die Sonde auf eine hohe Geschwindigkeit deutlich über der Fluchtgeschwindigkeit beschleunigen zu können. New Horizons verließ die Erde mit der höchsten je dabei erreichten Geschwindigkeit von 16,21 km/s. An anderen Tagen des Startfensters wäre die Geschwindigkeit etwas anders gewesen, besonders bei Starttagen ohne die Möglichkeit eines Jupiter-Vorbeifluges hätte die Geschwindigkeit der dann leichteren Sonde noch deutlich höher sein müssen.

Wäre die Sonde 2006 nicht gestartet worden, hätte es zwischen dem 2. Februar 2007 und 15. Februar 2007 ein weiteres Startfenster gegeben, das aber ebenfalls nur einen direkten Flug zu Pluto mit den entsprechenden negativen Konsequenzen erlaubt hätte.

Auf dem Weg zum Jupiter

Flugbahn der Sonde und ihre Position am 28. Februar 2007 während des Swing-by-Manövers am Jupiter

Bild des Asteroiden (132524) APL

Einen Tag nach dem Start wurde die hohe Rotation der Sonde, in die sie von der Raketenoberstufe versetzt wurde, von 68 auf 19,2 Umdrehungen pro Minute reduziert. Am 22. Januar wurde die Rotation weiter auf fünf Umdrehungen pro Minute gesenkt, und die Sternenkameras wurden in Betrieb genommen.

Am 28. Januar 2006 wurde die erste Kurskorrektur (TCM-1A) durchgeführt, wobei die Triebwerke für etwa fünf Minuten feuerten. Zwei Tage später folgte die nächste, zwölf Minuten lange Kurskorrektur (TCM-1B). Die beiden Kurskorrekturen ergaben eine Geschwindigkeitsänderung von 18 m/s. Eine weitere Kurskorrektur (TCM-2) war für den 15. Februar geplant, wurde jedoch abgesagt. Die nächste, 76 Sekunden lange Kurskorrektur (TCM-3) erfolgte am 9. März und war die erste, die im drei-Achsen-stabilisierten Betrieb durchgeführt wurde. Durch TCM-3 wurde die Geschwindigkeit der Sonde um 1,16 m/s verändert.

Von der LORRI-Kamera aufgenommenes Foto des Planeten Jupiter

Im Februar wurde der Schutzverschluss des Alice-Spektrometers geöffnet und am 13. März folgte der des SWAP-Instruments. Ebenfalls im März wurde das SDC-Experiment aktiviert. Bis zum 29. März hatten alle Instrumente ihre internen Elektronik-Checks absolviert. Am 7. April 2006 kreuzte die Sonde nach 78 Tagen Flugzeit die Bahn des Planeten Mars.^[3] Im Mai wurden die Schutzverschlüsse der Instrumente PEPSSI (3. Mai), Alice (20. Mai) und Ralph (29. Mai) geöffnet. Im Sommer wurden die Kalibrierungen der Experimente durchgeführt.

Anfang Mai 2006 stellten die Wissenschaftler fest, dass sich New Horizons auf dem Weg durch den Asteroidengürtel dem 3 bis 5 km großen Asteroiden (132524) APL nähern werde.^[4] Die Sonde kam am 13. Juni 2006 um 4:05 UTC bis auf 101.867 km an den Asteroiden heran. Da der Schutzverschluss der hochauflösenden Kamera LORRI wegen der zu geringen Distanz zur Sonne noch nicht geöffnet war (wurde erst am 29. August 2006 geöffnet^[5]), erfolgten die visuellen Beobachtungen nur mit dem schwächeren Ralph-Instrument. Dieses konnte den Asteroiden lediglich als ein Objekt von ein bis zwei Pixeln Größe auflösen.^[6]

Am 4. September nahm New Horizons ihr erstes Bild von Jupiter auf. Dieses wurde mit der LORRI-Kamera erzeugt, die Entfernung zum Riesenplaneten betrug zum Zeitpunkt der Aufnahme 291 Millionen Kilometer. Auch andere Instrumente beobachteten Jupiter, in erster Linie zum Zweck der Kalibrierung.^[7]

Vorbeiflug am Jupiter

Der Ausbruch des Tvashtar-Vulkans auf dem Jupitermond Io, aufgenommen von New Horizons am 28. Februar 2007

Die ersten wissenschaftlich relevanten Untersuchungen des Jupitersystems begannen im Januar 2007 und sollten bis Ende Juni 2007 andauern. Es waren etwa 700 Beobachtungen und Messungen des Gasplaneten, seiner Monde und seiner Magnetosphäre geplant.^[8]

Am 28. Februar 2007 flog New Horizons am Jupiter vorbei, die kleinste Entfernung zum Riesenplaneten wurde um 05:43 Uhr UTC erreicht und betrug circa 2,3 Millionen Kilometer (ca. 32 Jupiterradien). Dies ist ein Drittel der Entfernung, in der die Saturnsonde Cassini-Huygens den Jupiter passierte. Die Flugbahn von New Horizons lag knapp außerhalb der Umlaufbahn von Kallisto, dem äußersten der vier galileischen Monde. Während des Vorbeifluges fertigte die Sonde Aufnahmen des Jupiters, seiner Ringe und der vier galileischen Monde an, außerdem wurden Messungen des Magnetfeldes durchgeführt. Durch den Vorbeiflug erfuhr die Sonde einen Geschwindigkeitszuwachs von 3890 m/s und wurde auf eine Flugbahn zum Pluto umgelenkt, wobei sie um etwa 2,5° aus der Ekliptik herausgeschleudert wurde.

Pluto und Kuipergürtel

Am 18. März 2011, gegen 23 Uhr CET, kreuzte die Sonde die Uranusbahn

Am 8. Juni 2008 kreuzte New Horizons die Umlaufbahn von Saturn, blieb dabei aber weit von ihm entfernt. Am 30. Juni 2010 wurde eine Kurskorrektur durchgeführt und durch einen Schubimpuls von 36 s Dauer die Geschwindigkeit der Sonde um etwa 0,45 m/s erhöht, um die Abbremsung durch von der HGA rückgestreute Thermalstrahlung auszugleichen.^[9] Am 18. März 2011, 23 Uhr erreichte die Sonde die Umlaufbahn von Uranus, wobei der Gasriese zu diesem Zeitpunkt mehr als 3,8 Milliarden Kilometer entfernt war und daher keine Beobachtungen durchgeführt wurden. Am 25. August 2014 soll die Umlaufbahn von Neptun erreicht werden, exakt 25 Jahre nach dem Vorbeiflug von Voyager 2 an Neptun. Auch Neptun befindet sich dann zu weit von New Horizons entfernt, um sinnvolle Beobachtungen des Planeten durchführen zu können.

Auf dem Weg zum Pluto ist auch ein Vorbeiflug an einem Neptun-Trojaner möglich, vorausgesetzt, ein geeignetes Ziel wird gefunden und ist für die Sonde erreichbar. Der Vorbeiflug würde im Jahr 2014 erfolgen, wenn die Sonde sich in der Nähe der Umlaufbahn des Neptuns befinden wird.^[10]

Die genaue Ankunftszeit am Pluto war vom Startdatum der Sonde abhängig. Nach dem geglückten Start im Januar 2006 soll die Sonde Pluto zunächst am 14. Juli 2015, nach der Kurskorrektur vom 30. Juni 2010 am 15. Juli 2015 erreichen. Wäre die Sonde nur wenige Tage später gestartet, hätte sie ohne Swing-By am Jupiter auf einer direkten Route zu Pluto fliegen müssen und so erst zwischen 2018 und 2020 ihr Ziel erreicht; bei einem Start 2007 hätte der Vorbeiflug sogar erst zwischen 2019 und 2020 stattgefunden.

Die Beobachtungen des Pluto-Charon-Systems beginnen etwa 150 Tage vor der größten Annäherung. Etwa 120 Tage vor dem Vorbeiflug werden die ersten Bilder erwartet, und 90 Tage vor dem Vorbeiflug wird von den Aufnahmen der LORRI-Kamera das beste Auflösungsvermögen des Hubble-Teleskops übertroffen. Es sollen globale Karten von Pluto und Charon erstellt, Hochauflösungsfotos mit bis zu 25 m pro Pixel Auflösung gewonnen, die Temperaturverteilung gemessen und die Atmosphäre des Pluto studiert werden. Es ist geplant, die Sonde in 9.600 km Entfernung an Pluto und in 27.000 km Entfernung an Charon vorbeifliegen zu lassen. Allerdings sind dies nur Zielparameter, die leicht während des Flugs geändert werden können. Zwei Wochen nach dem Vorbeiflug werden die Beobachtungen beendet, und die Sonde wird beginnen, die während des Vorbeifluges gesammelten Daten zur Erde zu übermitteln. Da die Übertragungsrate über diese Entfernung sehr gering ist, werden einige Monate vergehen, bevor alle Daten auf der Erde eingetroffen sind.

Nach dem Vorbeiflug am Pluto wird die Sonde ihre Reise aus dem Sonnensystem hinaus fortsetzen und dabei durch den Kuipergürtel fliegen, wo zwischen 2016 und 2020 Vorbeiflüge an einem oder zwei Kuipergürtel-Objekten mit einer Größe von durchschnittlich 40-90 km Durchmesser möglich sind. Die genauen Ziele dafür müssen jedoch erst gefunden werden und werden voraussichtlich zwischen 2012 und 2014 definiert. Der Ablauf der Beobachtungen bei diesen Objekten sollte der Beobachtung von Pluto ähneln, jedoch begrenzt durch die Abnahmen der Sonnenlichtstärke, der Energie, die der Sonde zur Verfügung steht und der Datenübertragungsrate. Schätzungen gehen davon aus, dass die Sonde bis etwa 2025 genug Energie zu Verfügung haben wird, um Beobachtungen dieser Objekte durchzuführen.

Zooniverse - Projekt IceHunters

Im Rahmen des Citizen Science Projekts IceHunters, einem Schwesterprojekt von Galaxy Zoo im Zooniverse, suchen Freiwillige in ihrer Freizeit nach Objekten im Kuiper-Gürtel, um ein Nachfolgeziel für New Horizons zu finden. Hierzu werten sie Bilder aus, die aus der Subtraktion von in zeitlichen Abständen aufgenommenen astrononischen Aufnahmen gewonnen werden. Astronomische Kenntnisse sind für diese Tätigkeit nicht notwendig.

Siehe auch

• Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen

Literatur

• Thorsten Dambeck: Der Voyager-Erbe, Astronomie heute, Jan/Feb (2006), S. 16–19, ISSN 1610-8728

Weblinks

 Commons: New Horizons – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Offizielle NASA-Seite zur Sonde (englisch)
• Offizielle Seite der Johns Hopkins University zur Sonde (englisch)
• New Horizons Missionsbeschreibung
• Umfangreiche Beschreibung von New Horizons, übernommen aus dem Launch Press Kit (englisch)
• Johns Hopkins Magazine – Mission: Pluto (englisch)
• Rohbilder von New Horizons (englisch)
• [1] (englisch)
• Citizen Science Projekt ICEHUNTERS

Einzelnachweise

1. ↑ Spaceflight Now: New Horizons launches on voyage to Pluto and beyond
2. ↑ Daten der Instrumente
3. ↑ APL: Outbound for the Frontier, New Horizons Crosses the Orbit of Mars – 10. April 2006.
4. ↑ APL: A Summer's Crossing of the Asteroid Belt – 1. Juni 2006.
5. ↑ APL: Pluto-Bound Camera Sees 'First Light' – 1. September 2006.
6. ↑ APL: New Horizons Tracks an Asteroid – 15. Juni 2006.
7. ↑ APL: Jupiter Ahoy! – 26. September 2006.
8. ↑ APL: Jupiter Encounter Begins – 10. Januar 2007.
9. ↑ APL: „Course Correction Keeps New Horizons on Path to Pluto“ – 1. Juli 2010.
10. ↑ APL: „Exploration at Its Greatest“ – 1. Mai 2006.

Raumsonden in das äußere Sonnensystem

Pioneer 10 (1972) | Pioneer 11 (1973) | Voyager 1 (1977) | Voyager 2 (1977) | Galileo (1989–2003) | Ulysses (1990–2009) | Cassini-Huygens (1997) | New Horizons (2006) | Juno (2011)

Missionsvorschläge: Titan Mare Explorer | Europa Jupiter System Mission/Laplace | Titan Saturn System Mission/TandEM

Gestrichene Missionen: Jupiter Icy Moons Orbiter

(Siehe auch: Jupiter | Saturn | Uranus | Neptun | Pluto | Chronologie der Missionen ins äußere Planetensystem)