Kometen-Besuch

Rosetta-Mission der ESA vor dem Ziel

Wissen | Reportage

Mehr als ein Vierteljahrhundert haben Raumfahrtexperten, Wissenschaftler und Flugingenieure in die Planung und Umsetzung eines der größten Abenteuer der Menschheit investiert: Das Absetzen eines Landemoduls auf einem Kometen, der in Kürze seinen sonnennächsten Punkt erreicht – und das spannendste Kapitel im Rosetta-Drehbuch fängt gerade erst an.

Kometen faszinieren die Menschheit seit Jahrtausenden. Lange wurden die plötzlich am Firmament auftauchenden Objekte mit dem auffälligen Schweif jedoch als mystische Zeichen des Himmels und der Götter interpretiert – und meist hatte das nichts Gutes zu bedeuten. Erst in der Neuzeit begannen Astronomen, die „Schopfsterne“ besser zu verstehen. 1705 erkannte der britische Wissenschaftler Edmund Halley, dass Kometen zu den periodisch wiederkehrenden Himmelskörpern gehören.

Heute geht man davon aus, dass Kometen Relikte aus der Frühzeit unseres Sonnensystems sind und dem sogenannten Kuipergürtel sowie der Oortschen Wolke entstammen, beides Ansammlungen astronomischer Objekte, die weit hinter dem äußersten Planeten Neptun liegen. Zu sehen bekommen wir Kometen allerdings erst, wenn Gravitationskräfte sie in Richtung Sonne lenken. Dann zeigt sich auch das bekannte Schauspiel mit dem leuchtenden Schweif.

Mit Schwung zum Kometen

Die Geschichte der Rosetta-Mission reicht fast drei Jahrzehnte zurück: 1985 – Modern Talking trällerte gerade „Cheri, Cheri Lady“ und Microsoft brachte seine erste grafische Benutzeroberfläche Windows 1.0 auf den Markt – entschied das ESA-Programmkomitee, nach Giotto eine weitere Sonde zur Erforschung von Kometen ins All zu schicken. Während sich die Giotto-Sonde ihrem Zielkometen Halley nur nähern sollte, wollte man mit der nächsten Sonde Material von einem Kometen zur Erde zurückbringen. Doch dann verabschiedete sich die NASA von dem Projekt „Comet Nucleus Sample Return (CNSR) – und Europa korrigierte seine ambitionierten Pläne: Statt Kometenproben auf der Erde zu analysieren, sollte das Analyselabor jetzt zum Kometen gebracht werden. Rosetta war geboren.

1993 wurde aus Absichtserklärungen dann Ernst: Die damals 14 ESA-Mitgliedsstaaten nahmen Rosetta als „Planetary Cornerstone Mission“ in das wissenschaftliche Langzeitprogramm auf und sicherten die Finanzierung zu. Hauptauftragnehmer und verantwortlich für den Bau der Sonde war Astrium, eine 100-prozentige Tochtergesellschaft der Airbus Group, die inzwischen unter dem Namen „Airbus Defence and Space“ firmiert. Starten sollte Rosetta eigentlich im Januar 2003, doch kurz zuvor explodierte eine Ariane-5-Trägerrakete – und die nächste Ariane 5 hätte Rosetta ins All schießen sollen.

Diesen Start sagte die ESA vorsichtshalber ab, was zur Folge hatte, dass sich das Zeitfenster schloss, in dem die Reise hätte losgehen müssen. Eine Umlaufbahn um Rosettas eigentliches Ziel – den Kometen 46P/Wirtanen – war mit der vorhandenen Antriebstechnik nun nicht mehr zu erreichen. Ein anderer Komet musste her. Im Mai 2003 entschied sich die ESA schließlich für 67P/Tschurjumow-Gerassimenko, den 67. bestätigten kurzperiodischen Kometen. Ausschlaggebend für die Wahl als Ersatz-Komet war, dass die Rosetta-Sonde Tschurjumow-Gerassimenko ebenfalls mit mehreren Vorbeischwungmanövern (Swing-by) an Erde und Mars erreichen konnte; auch kommt der Komet der Sonne nicht zu nahe.

Swing-bys werden in der Raumfahrt eingesetzt, um Sonden zu beschleunigen oder abzubremsen. Bewegt sich ein kleiner Raumkörper in genau definiertem Abstand und Tempo auf ein planetares Schwerefeld zu, lassen sich die Anziehungskräfte für gezielte Änderungen von Geschwindigkeit und Flugrichtung nutzen. Zwar hat Rosetta ein eigenes Antriebssystem an Bord, doch das wird vor allem für Justierungen der Flugbahn und die Annäherung an den Zielkometen benötigt. Das Flugkontrollteam kann dazu auf insgesamt 24 Steuerdüsen zugreifen, die während der gesamten Mission knapp 1,7 Tonnen Zweikomponenten-Treibstoff verbrauchen dürfen. Allein der Sprit an Bord machte damit mehr als die Hälfte des Startgewichts der Sonde aus.

Die Steuerdüsen gehören zum „Attitude Orbit and Control System“ (AOCS) der Sonde, einem Flugregelungssystem, das außerdem den Lagekontrollrechner, Sternsensoren zur Positionsfeststellung im All sowie vier sogenannte Reaction Wheels umfasst. Bei letzteren handelt es sich um rotierende Scheiben, über die das Kontrollteam kleinere Lage- sowie Rotationsänderungen der Sonde vornehmen kann. Verarbeitet werden die Befehle von 16-Bit-Prozessormodulen (Dynex-MAS31750), von denen Rosetta insgesamt vier Stück an Bord hat. Die Prozessoren arbeiten mit 25 MHz Taktfrequenz, erfüllen den Militärstandard 1750A und sind resistent gegen kosmische Strahlung. Jeweils zwei (redundant ausgelegte) Prozessormodule sind für das AOCS zuständig, die anderen beiden stehen dem Data Management System (DMC) der Sonde zur Verfügung, das eine Gesamtspeicherkapazität von 25 GBit hat.

Maschinen-Tiefschlaf

Die Ariane-5-Trägerrakete konnte die knapp drei Tonnen schwere Rosetta-Sonde auf etwa drei Viertel der Geschwindigkeit beschleunigen, die nötig ist, um Tschurjumow-Gerassimenko einzuholen und in eine Umlaufbahn um den Kometen einzuschwenken – den Rest mussten die Vorbeischwungmanöver erledigen: dreimal um die Erde, einmal um den Mars. Nach dem erfolgreichen Launch im März 2004 erreichte die Rosetta-Sonde zunächst eine Geschwindigkeit von rund 108 000 Kilometern pro Stunde bezogen auf die Sonne, umkreiste diese einmal und näherte sich wieder der Erde.

Der erste Swing-by lenkte die Sonde in Richtung Mars, den sie nach zwei Jahren erreichte. Ein zweites Schwungholen an der Erde sorgte anschließend dafür, dass Rosetta Kurs auf den deutlich weiter entfernten Asteroiden Šteins nehmen konnte. Dem Gesteinsbrocken mit einer maximalen Ausdehnung von sieben Kilometern näherte sie sich im Herbst 2008 bis auf rund 800 Kilometer. Es folgte ein letztes Rendezvous mit der Erde und die Beschleunigung auf 139 000 km/h. Gegenüber der Startgeschwindigkeit konnte Rosetta nun 270 Millionen Kilometer mehr pro Jahr zurücklegen.

Mit dem letzten Vorbeiflugmanöver an der Erde nahm Rosetta Kurs auf den Asteroiden Lutetia. Der 130 Kilometer lange und in Teilen offenbar bis zu 3,6 Milliarden Jahre alte Gesteinsbrocken gehört wie Šteins zum sogenannten Asteroiden-Hauptgürtel, der sich zwischen den Planetenbahnen von Mars und Jupiter befindet. Rosetta näherte sich Lutetia im Sommer 2010 bis auf 3162 Kilometer und lieferte spektakuläre Bilder der Oberfläche. Lutetia war bis dato der größte Asteroid, der Besuch von Menschen bekommen hatte – 2011 ging dieser Rekord dann an die NASA-Sonde Dawn, die den etwa viermal so großen Vesta erreichte.

Beim Vorbeiflug an Lutetia war Rosetta knapp eine halbe Milliarde Kilometer von der Erde entfernt – vier weitere Flugjahre bis zum geplanten Treffpunkt mit Tschurjumow-Gerassimenko standen noch bevor. Da sich die Sonde nun immer weiter von der Sonne entfernte und die 64 Quadratmeter großen Solarpaneele immer weniger elektrische Leistung lieferten (am sonnenentferntesten Punkt nur noch rund 400 Watt), versetzten die Flugingenieure Rosetta Mitte 2011 für die nächsten zweieinhalb Jahre in einen Maschinen-Tiefschlaf.

Ausgeschaltet wurde alles, was nicht zum unmittelbaren Überleben der Sonde nötig war. Der verbleibende Solarstrom stand vor allem Heizvorrichtungen zur Verfügung, die verhindern sollten, dass die mechanischen und elektronischen Komponenten an Bord einfroren. In dieser Zeit gab es auch keinerlei Kontakt zu den Bodenstationen auf der Erde. Weitgehend inaktiv erreichte die Sonde schließlich sogar die Sonnenumlaufbahn des Jupiter, bevor sie wieder Richtung Sonne schwenkte.

Umso größer war der Jubel, als Rosetta im Januar 2014 automatisch aus ihrem Tiefschlaf erwachte und in der Lage war, die beiden Startracker an Bord zu aktivieren. Diese Sensoren nehmen Sternenbilder auf und ermöglichen der Sonde damit, ihre eigene Position und Lage im Raum zu ermitteln. Damit wusste Rosetta auch, wo die Erde ist: Sie drehte sich und schickte nach 30 Monaten das erste Signal in die Heimat. Davon erfuhr das Kontrollteam wegen der langen Laufzeit aber erst rund 45 Minuten später. Aufgefangen wurde die mit 28 Watt gesendete Rückmeldung zum Dienst von 70-Meter-Antennen des Deep Space Network der NASA in Kalifornien und Australien.

Jetzt geht’s looos …

Seit der Kontaktaufnahme Anfang des Jahres reaktivieren die Flugingenieure nun nach und nach die Systeme und wissenschaftlichen Instrumente an Bord – darunter die OSIRIS-Kamera (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System), die bereits bei Šteins und Lutetia zum Einsatz kam. OSIRIS ist für Aufnahmen im sichtbaren Lichtspektrum bis in den Infrarot- und Ultraviolett-Bereich ausgelegt. Mitte März gelangen damit auch die ersten neuen Aufnahmen von Tschurjumow-Gerassimenko – aus fünf Millionen Kilometer Entfernung ist der allerdings nur als winziger Punkt im Sternengewimmel erkennbar.

Aufgespielt werden zudem diverse Software-Revisionen – etwa für das MIDAS-Instrument (Micro-Imaging Dust Analysis System), das schon beim Vorbeiflug an Lutetia aktiv war und später den Staubmantel um den Zielkometen analysieren soll. Da die Sonde nur langsam wieder mehr Energie von der immer noch weit entfernten Sonne bezieht, ist die Inbetriebnahme sämtlicher Systeme an Bord allerdings ein langwieriger Prozess. Beim Rendezvouz mit Tschurjumow-Gerassimenko sollen zumindest 850 Watt elektrische Leistung zur Verfügung stehen. Ihre höchste Leistungsabgabe (8700 Watt) werden die Solarpaneele erst Mitte 2015 am sonnennächsten Punkt erreichen.

Zurückgemeldet hat sich inzwischen auch der eigentliche Star an Bord von Rosetta: Lander Philae. Das Kometen-Landemodul hat eine Masse von rund 100 Kilogramm, ist mit insgesamt zehn eigenen Instrumenten ausgestattet und wird von 16-Bit-Mikrocontrollern der Firma Intersil (RTX2010) gesteuert, die mit 8 MHz Taktfrequenz laufen. Noch weiß allerdings niemand, was Philae beim Absetzen auf dem Kometen erwartet. Zwar haben Amerikaner (NEAR Shoemaker) und Japaner (Hayabusa) schon Landungen auf Asteroiden durchgeführt – ein sanfter Touchdown auf einem Kometen ist aber Neuland. Informationen über die genaue Beschaffenheit von Tschurjumow-Gerassimenko liegen erst vor, wenn Rosetta den 3 × 5 Kilometer großen Zielkometen ausreichend kartografiert hat. Die Spekulationen über die Oberflächenbeschaffenheit reichen derzeit von harter Eiskruste bis zu pulverigem Boden.

Zuvor müssen Rosetta-Flugleiter Andrea Accomazzo und sein Team im European Space Operations Centre (ESOC) aber noch einige Flugmanöver durchführen. Der wichtigste Termin steht im August an, wenn die Sonde in eine Umlaufbahn um den Kometen einschwenken soll. Weitere Überraschungen sind dabei nicht ausgeschlossen. Denn anders als Asteroiden werden Kometen „aktiv“, wenn sie sich der Sonne nähern. Dabei verdampfen zu Eis kondensierte Wasserstoff-Verbindungen an der sonnenzugewandten Seite des Kometen, zusätzlich werden Unmengen an Staubteilchen mitgerissen. Dieses Phänomen, das als Koma bezeichnet wird und später als Schweif auch von der Erde aus sichtbar ist, kann bei großen Kometen Durchmesser von mehreren Millionen Kilometer erreichen. ESA-Angaben zufolge zeigt Tschurjumow-Gerassimenko bereits jetzt deutliche Aktivitätszeichen, was man bei der Missionsplanung so nicht erwartet hatte.

Auf eigene Faust

Mitte November soll es dann auch für den Lander losgehen, der vom „Microgravity User Support Center“ (MUSC) am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln betreut wird. Einmal von Rosetta getrennt, muss Philae eigenständig etwa einen Kilometer bis zum berechneten Landeplatz auf dem Kometen zurücklegen. Hat der etwa 30-minütige Abstieg begonnen, kann das Team auf der Erde wegen der langen Signallaufzeiten nicht mehr eingreifen. Läuft alles nach Plan, federn Dämpfer an den drei Landebeinen zunächst den Aufprall ab, dann lösen sich harpunenartige Krallen, die ein Zurückdriften des waschmaschinengroßen Landers ins All verhindern sollen. Die finalen Instruktionen zur Landeprozedur erhält Philae erst kurz vor dem Loskoppeln von Rosetta.

Mit seinen Instrumenten, die zum Teil schon während der Landephase arbeiten, soll Philae unter anderem nach organischen Verbindungen suchen und diese gegebenenfalls analysieren. Da Kometen wie Tschurjumow-Gerassimenko nach gängiger wissenschaftlicher Meinung in der Frühzeit unseres Sonnensystems entstanden und nahezu unbeeinflusst von großen strukturellen Veränderungen wie etwa auf der Erde geblieben sind, könnten die Experimente wichtige Hinweise zu Vorgängen liefern, die vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren stattgefunden haben. Nachgegangen wird auch der Frage, ob Kometeneinschläge womöglich wichtige Bausteine für die Entstehung des Lebens auf unserem Heimatplaneten geliefert haben.

Für das Forschungsprogramm am Kometen sind mehrere Monate vorgesehen. Die dabei gesammelten Daten stehen zunächst ein halbes Jahr exklusiv den mit der Mission betrauten Wissenschaftlern zur Verfügung, danach werden sie im „Planetary Science Archive“ der ESA veröffentlicht und können kostenfrei abgerufen werden (siehe dazu auch den c’t-Link am Ende des Artikels). Rosetta selbst wird sich zusammen mit dem Kometen wieder von der Sonne entfernen – im Dezember 2015 soll die Mission dann offiziell enden. Allerdings könnte Rosetta durchaus noch ein paar Monate überdauern – entscheidend ist, wie lange der Treibstoff reicht. Erst wenn die Reserven erschöpft sind und Rosetta ihre Antenne nicht mehr auf die Erde ausrichten kann, müsse man die Sonde aufgeben, erklärt Flugleiter Accomazzo.

Simulator-Training

Durchgespielt werden sämtliche missionskritischen Manöver der Rosetta-Sonde zuvor an einem 1:1-Engineering-Modell, das auf dem ESA-Gelände in Darmstadt steht. Das Modell dient zudem als Test- und Validierungsplattform für die zahlreichen Software-Patches, die Rosetta während der zwölfjährigen Missionsdauer erhält. Das Unternehmen VEGA IT – heute Telespazio VEGA Deutschland und praktischerweise nur wenige Meter vom ESOC in Darmstadt entfernt – begann 1999 mit der Entwicklung einer Simulator-Software für die Rosetta-Sonde. Geschrieben wurde diese zunächst in der Programmiersprache ADA, als grafische Entwicklungsumgebung kam CAE ROSE (Realtime Object Simulation Environment) zum Einsatz, das automatisch Fortran-77-Code generierte.

Auch wenn sich das vor Jahrzehnten festgelegte Technik-Design der Sonde nicht mehr ändern lässt (jedes moderne Smartphone hat heute mehr Rechenleistung als Rosetta und Philae zusammen) – die Neuerungen bei Hard- und Software machten vor den Entwicklern des Rosetta-Simulators auf der Erde nicht halt: Bereits im Jahr 2000 erfolgte der Umstieg auf C++, außerdem ersetzte man die verwendeten DEC-Alpha-Prozessoren durch Pentium-3-CPUs, die aber noch von DEC-Alpha Co-Prozessor-Karten unterstützt wurden, um die Onboard-Hardware zu emulieren. DEC hatte damals das größte Know-how in Sachen Hardware-Emulation, außerdem ließ sich mit den Alpha-Prozessoren der Wechsel vom DEC-Betriebssystem VMS (Virtual Memory System) zu Windows NT vollziehen.

Im Jahr 2009 erfolgte dann eine zweite große Technologie-Umstellung: Statt Windows kommt beim Rosetta-Simulator inzwischen SUSE Linux Enterprise Server (derzeit SLES 11) zum Einsatz. Auch die DEC-Co-Prozessor-Karte wird nicht mehr benötigt, da aktuelle CPUs (derzeit Core i5) mit der Emulation der antiquierten Prozessoren an Bord der Sonde keine Probleme mehr haben. Zur Bedienung des Simulators verwenden die Rosetta-Flugingenieure heute eine in die Echtzeit-Simulationsumgebung SimSat 4 integrierte grafische Benutzeroberfläche.

Eine direkte Verbindung zum Rosetta-Simulator haben nur Mitarbeiter des Kontrollzentrums. Trainiert wird unter anderem das Annäherungsmanöver der Sonde an den Zielkometen. „Alles, was Rosetta nicht mehr benötigt – Routinen der Start- oder der Separationsphase beispielsweise –, wurde längst aus der Onboard-Software entfernt“, erklärt Dr. Peter Fritzen, Chef der Abteilung „Simulation, Navigation & Technology“ bei Telespazio VEGA. „Zum Trainingsprogramm gehört auch, dass das Kontrollteam mit vorsätzlich eingefügten Fehlern zurechtkommen muss“, ergänzt John Lewis, Managing Director von Telespazio VEGA Deutschland. Und wenn wir das machen, „geht das Kontrollteam durch die Hölle“.

On the fly

Technologiesprünge machten nicht nur den Simulator-Entwicklern von Telespazio VEGA zu schaffen: Auch die für die Rosetta-Mission benötigte Kontroll- und Kommunikationsinfrastruktur am Boden musste in der Zwischenzeit „on the fly“ erneuert werden. Gelegen kam den IT-Spezialisten der ESA dabei, dass Rosetta im Juni 2011 den bereits erwähnten zweieinhalbjährigen Maschinen-Tiefschlaf begann. „In dieser Zeit haben wir Virtualisierung eingeführt“, schildert Jens Freihöfer, IT-Koordinator der ESA und zuständig für die Rosetta-Mission.

Veraltete Hard- und Software wurde durch redundant ausgelegte SPARC-Server von Oracle ersetzt, die unter Solaris 10 laufen und in zwei getrennten Datenzentren auf dem ESOC-Gelände untergebracht sind. Pro T4-Server konnten nun bis zu zwölf logische Domains (LDOMs) für die Mission Control Systeme (MCS) eingerichtet werden. Der Zugriff erfolgt über x86-Terminalserver (X3-2L), an die Sun Ray (Thin) Clients angeschlossen sind, an denen wiederum die Peripheriegeräte der ESOC-Mitarbeiter hängen, die den Flug der Rosetta-Sonde rund um die Uhr verfolgen.

Für Flugleiter Andrea Accomazzo ist Rosetta inzwischen sogar zu einer Art Familienmitglied geworden. „Ich erinnere mich noch gut an den Tag, als meine Frau einen Zettel entdeckte, auf dem der Name ‚Rosetta’ und daneben eine Telefonnummer stand“, erzählt Accomazzo im c’t-Gespräch. „Sie dachte wohl zunächst, ich hätte eine andere.“ Doch das Missverständnis wurde ausgeräumt. Und selbst wenn Accomazzo als Spacecraft Operations Manager der ESA künftig neue Aufgaben übernimmt – seiner Verflossenen wird er spätestens in zwei Jahren die eine oder andere Träne nachweinen. Auch mit Einverständnis der Ehefrau. (pmz)

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