Die Raumsonde Smart1

Autor: Konstantin Lübeck

Nach dem erfolgreichen Start von Smart 1 am 28 September 2003 um 1.14 MEZ vom ESA-Weltraumbahnhof in Kourou, erfolgte am 30 September um 14.28 die erste Zündung des Ionentriebwerks. Die Zündung wurde von den Ingeneuren des Satellitenkontrollzentrum ESOC in Darmstadt ausgelöst. Mit dieser Zündung des Ionentriebwerks ist den Wissenschaftlern der ESA ein wichtiger Schritt im Aurora-Programm (Programm zur Vorbereitung interplanetarer Missionen) und bei der Inbetriebnahme der Technologiesonde Smart 1(Small Missions for Advanced Resarch) gelungen.

Bei ihrem Flug wird die Sonde viele neue Technologien erforschen und ausprobieren. Eine der
wichtigsten Dinge wird die Erprobung des Ionenantriebs, der durch Strom gespeist wird.
Der Ionenantrieb kurz SEPP (Solar Electric Primary Propulsion). Das Triebwerk bestehet aus einem Tank mit 82 kg Xenon Gas. Das Edelgas wird in der SEPP durch die Zufuhr jener elektrischen Energie, die aus den Solarzellen gewonnen wird, ionisiert. Bei dem Vorgang der Ionisierung trennen sich die Elektronen von den Atomkernen (Ionen). Dadurch entsteht ein Plasma, unter der Nutzung dieses physikalischen Effekts, auch Hall-Effekt genannt, werden die geladenen Teilchen in eine bestimmte Richtung hinausgeschleudert. Sie erreichten dann eine Geschwindigkeit von 16000 km/h, der dabei erzeugte Schub beträgt 70 nm.

Der Hall-Effekt wurde von dem amerikanischen Physiker Herbert Hall 1879 entdeckt. Der Effekt beschreibt das Entstehen einer Spannung zwischen zwei Punkten. Diese kann durch den Einfluss eines Magnetfeldes in eine beliebige Richtung gesteuert werden, die Spannung schleudert dann die Ionen raus in den Weltraum. Das Ionentriebwerk von Smart 1 wurde bei dem französischen Unternehmen SNECMA gebaut.

Die ersten Tests auf der Erde, im Vakuum, verliefen vielversprechend. Aber als der im All wurden alle Erwartungen übertroffen: Das Triebwerk fühlte sich wohl im Weltraum und im absoluten Vakuum wohler als auf der Erde. Dieser Test im Weltraum brachte Smart 1 dem Mond ein ganzes Stück näher. Nun wurden die Messdaten ausgewertet um die genaue Geschwindigkeit zu ermitteln und um herauszufinden in wie fern sich der Antrieb auf die Flugbahn auswirkt. Denn die Flugbahn gleicht einer Achterbahnfahrt: Zuerst nimmt die Sonde in einer ellipsenförmigen Umlaufbahn Anlauf um die Erde. Die Messdaten die beim Flug in dieser Umlaufbahn gesammelt werden, werden dann begutachtet um die weitere Beschleunigung zum den Mond zu berechnen.

Nach dem ersten einstündigen Flug wird das Ionentriebwerk bald kontinuierlich arbeiten, um Smart 1 auf die genannte Umlaufbahn zu bringen. Diese liegt ungefähr 20000km von der Erde entfernt. Dann folgt eine Abwechslungsreiche Flugphase zwischen Antriebsphase und Berechnungsphase, bis die Sonde eine Höhe von 200000km erreicht hat. Dort wird das Triebwerk nochmals gezündet um endlich Kurs auf den Mond zu nehmen. Ungefähr im Dezember 2004 oder Januar bis Februar 2005 wird die Sonde die Mondumlaufbahn erreicht haben. Dort wird sich Smart 1 langsam dem Mond nähern. Ab dort wird die Sonde seine wissenschaftliche Arbeit beginnen.

Smart 1 wird liebevoll von seinen Ingeneuren „fliegendes Technologielabor“ genannt. Die Sonde hat zehn Experimente an Bord, darunter befindet sich ein leistungsstarkes Röntgen- und Infrarot- Spektrometer, sowie eine hochauflösende Kamera, die auf dem Hinflug zum Mond viele Bilder schießen soll. Dies dient der kartografierung des Mondes. Während des Fluges überwachen zwei Diagnosegeräte mit den Kürzeln EPDP und SPEDE. Diese beiden Geräte überwachen die Arbeitsweise des Triebwerks und der anderen maschinen und Experimente. Sie können auch in das Geschehen an Bord eingreifen. Falls das Triebwerk zum Beispiel die Leistungsgrenze erreicht hat oder sogar überschreiten sollt wird es automatisch zurückgefahren oder abgeschalten.

Dafür zukünftige Deep-Space-Missionen der Funk von essentieller Bedeutung ist, werden mit dem Experiment KaTE innovative Verfahren und technische Lösungen zur Datenfernübertragung mittels sehr kurzer Funkwellen im Ka-Berreich getestet. Bei der Entwicklung des kombinierten X/Ka-Band-Transponders von KaTE wurden von EADS-Astrium-Ingeneuren neue Gehäuseinnovationen entwickelt und es wurden auch neue Chips eingebaut sowie ein digitaler Signalaufbereiter, der die Schäden die bei der Übertragung durch den Weltraum entstehen, behebt. Der „Alleskönner“ KaTE vermag noch viel mehr zu leisten. Wenn sich Smart 1 auf der erdabgewanden Seite befindet, können die Ingeneure aus den Empfangenen Signalen von Smart 1 die Beschaffenheit des bislang noch unbekannten Mondkerns errechnen. Auch die Zukünftige ESA Sonde BepiColombo, die zum sonnennahen Planeten Merkur fliegen soll, wird mit dem KaTE-Transponder ausgestattet sein.

Ein weiteres Experiment an Bord von Smart1 ist die übertragen von Daten via Laser. Dies ermöglicht viel mehr Daten zu übertragen. Die neue Erfindung der ESA, sendet die Daten entweder auf direktem Wege zu einer optischen Empfangsstation auf der spanischen Atlantikinsel Teneriffa, oder zu einem Satelliten in der Erdumlaufbahn. Auch dieses Experiment wird mit Spannung verfolgt da es auch für spätere Missionen sehr wichtig sein kann.

Aber an Bord von Smart 1 sind nicht nur Kommunikationsgeräte, sondern auch Geräte zur wissenschaftlichen Untersuchung des Mondes. Es befindet sich ein Infrarot-Spektrometer an Bord. Dies soll die Mondoberfläche genauer als jedes Raumfahrzeug zuvor unter die Lupe nehmen. Das 2kg schwere Untersuchungsutensil nennt sich SIR; wurde von Max-Plank-Institut in Katlenburg-Lindau gebaut. Das Gerät verfügt über 266 unterschiedlichen Wellenlängen zur Untersuchung der Mineralischen Zusammensetzung der Mondoberfläche, und mit Hilfe des hochauflösenden Röntgen–Spektrometer D-CIXS soll der Mond kurzzeitig im Röntgen bereich vollständig Fotografiert werden und so soll eine chemische Analyse der gesamten Mondfläche durchgeführt werden.

Hohe Erwartungen werden auch in das extrem komprimierte Kamerasystem AMIE gesetzt. Die ESA hat das Kamerasystem zusammen mit dem Centre Suisse d`Electronique et de Microtechnique im schweizerischen Neuchâtel entwickelt. Dank verschiedener Filter, werden Bilder in einer nie da gewesenen Qualität möglich. Die rund 450g schwere Farbkamera wird hochauflösende Bilder liefern können. Die Kamera kann auch Bilder im Infrarot- oder UV-Bereich schießen. AMIE soll vor allem Informationen über die Topographie und Struktur der Mondkruste liefern. Anhand der multispektralen Daten können Bilder in höher 3D Auflösung gemacht werden.

Technische Daten und Fakten zu Smart 1

Start	28. September um 1.14 MEZ
Trägersystem	Ariane 5 (V162)
Masse der Raumsonde	367kg (beim Start), davon 17kg wissenschaftliche Nutzlast
Abmessungen	1m x 1m x 1m; Spannweite der Sonnensegel 14m
Antrieb	Solar-elektrisch (Ionenantrieb)
Treibstoff	82 kg Edelgas Xenon
Schub	70nm
Lageregelung	8 Hydrazin-Steuerdüsen mit je 1N Schub sowie 4 Trägheits-Schwungräder
Triebwerkshersteller	SNECMA, Frankreich
Missions-Kontrollzentrum	European Space Operations Centre ESOC in Darmstadt
Auftraggeber	European Space Agency ESA (Paris)
Hauptauftragnehmer	Swedish Space Corporation, Solna (Schweden)
Geplante Missionszeit	2 bis 2,5 Jahre
Gesamtkosten	100 Mio. Euro (Start, Mission, Teile der Nutzlast)
Beteiligte Länder	Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Niederlande, Schweden

Experimente (10 neue Technologien, Mond- und Sonnenforschung)

+ EPDP (Italien) und SPEDE (Finnland): bordeigene Diagnose-Instrumente zur Überwachung des Antriebs
+ KaTE: effiziente Datenübertragung im X- und Ka-Band (Astrium, Deutschland)
+ RSIS: Experiment zur Überwachung des Antriebs durch Bahnverfolgung mit Hilfe von KaTE und AMIE (Italien)
+ Laser Link: Kommunikationsexperiment mit Laser-Strahlen (ESA)
+ OBAN: System zur erdunabhängigen Navigation im All (ESA)
+ AMIE: hochauflösende Kamera für Bilder im sichtbaren, UV- und IR-Bereich (Schweiz)
+ SIR: Untersuchung der mineralogischen Zusammensetzung der Mondoberfläche auf 266 Wellenlängenbereichen (Max-Planck-Institut für Aeronomie, Deutschland)
+ D-CIXS: hochauflösendes Röntgenspektrometer (Großbritannien)
+ XSM: automatische Kalibrierungseinrichtung für D-CIXS sowie Erfassung der solaren Röntgenstrahlung (Finnland)