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Die Zukunft: Voyager zu den Sternen

Nach der Begegnung mit Neptun (Voyager 2) und Saturn (Voyager 1) ist die Voyager Mission nicht zu Ende. Seit dem 1.1.1990  haben die Voyagers eine neue Mission: Die Voyager Interstellar Mission. Anders als die vor Ihnen gestarteten Pioneers haben Sie noch genügend Treibstoff und Strom um mehrere Jahrzehnte Daten zu liefern. Die interstellare Phase begann 1990 auch um Kosten zu sparen. Das Voyagerteam wurde von  300 Personen im Jahre 1990 auf nur noch 20 vom Jahre 2002 verkleinert.

Die Dauer der interstellaren Phase ist durch den abnehmenden Strom durch den Zerfall des Plutonium-238 in den RTG begrenzt. Dieses Element zerfällt mit einer Halbwertszeit von 86 Jahren. Die Zerfallsenergie äußert sich zuerst in Wärme die dann über Thermoelemente in Strom umgewandelt wird. Wenn der Strom 245 Watt, etwa die Hälfte der Ausgangsleistung unterschreitet kann man kein einziges Experiment mehr betreiben und dann wird man die Sonde aufgeben. Das Hydrazin in dem Treibstofftanks reicht noch bis 2040 bei Voyager 1 und 2048 bei Voyager 2. Daten mit 160 Bit/s kann man bis 2024/2029 mit einer 34 m Antenne empfangen. Mit 40 Bit/s sogar bis 2050/2057.

2025 wenn die Grenze des sinnvollen Betriebs erreicht wird, wird Voyager 1 24,9 Millionen km von der Erde entfernt sein und Voyager 1 20,9 Millionen km.

In der interstellaren Phase steht nur kurzzeitig Support durch die großen 70 m Antennen zur Verfügung. Meistens überträgt man nur zu den kleineren 34m Antennen. 2013 lag die Datenrate von Voyager bei 160 Bit/s zu den 34 m Antennen und 600 Bit/s bei den 70 m Antennen.

Am 14.2.1990 nahm Voyager 1 über 4 Stunden ein letztes Bildermosaik auf und sandte 64 Bilder des Sonnensystems zur Erde. Kurz bevor die wissenschaftlichen Teams aufgelöst wurden, war dieser Traum vieler durchsetzbar, da man vorher keine Aufnahmen der sonnennahen Planeten machen wollte, um die Kamera nicht zu beschädigen.

Dieses Mosaik hatte zwar keinen wissenschaftlichen Wert, aber aufgenommen aus 5.95 Milliarden km Entfernung waren selbst die großen Planeten Jupiter und Saturn nur mehr kleine Lichtpunkte, vielleicht hat gerade dieses Bild ein paar Menschen mehr dazu angeregt, wie einzigartig und klein unser Planet ist und wie er erhalten werden sollte. Ähnlich wie dies das Bild der aufgehenden Erde über dem Mond, 1968 aufgenommen durch Apollo 8 tat.

Im Jahre 1998 wurde die Scanplattform von Voyager 2 heruntergefahren. Voyager 1 folgte im Jahr 2000, doch das UVS dieser Sonde bleibt in Bereitschaft, sofern man es benötigt kann die Scanplattform wieder aktiviert werden. Aktiv sind die Instrumente für Teilchen und Wellen. Primäre Aufgabe von Voyager ist es nun zu bestimmen wo der Einflussbereich der Sonne übergeht in das intergalaktische Medium.

Die meisten Teilchen die Voyager maß, die aber auch die erde treffen oder sich in den Strahlungsgürteln der Erde und Jupiter sammeln, stammen von der Sonne. Sie emittiert einen dauernden Strom von Elektronen, Protonen und Heliumkernen, den sogenannten Sonnenwind. Dieser Strom variiert mit der Sonnenaktivität und Sonnenstürme können die Aktivität für Stunden oder Tage ansteigen lasen. Er verdünnt sich aber immer weiter und irgendwo gibt es eine Grenze wo dann die Teilchen nicht mehr ausreichen um die Teilchen die zwischen den Sternen vorhanden sind am Eindringen ins Sonnensystem zu hindern. Dies ist eine Schockfront und hier endet das Sonnensystem - zumindest was die Teilchenumgebung angeht. Gravitativ sind natürlich auch noch jenseits dieser Grenze einige Kuiper Objekte an die Sonne gebunden und auch die Kometen sollen von einer Zone kommen, die weit außerhalb dieses Bereiches ist.

Voyager soll bis in diese Zone vordringen und das interstellare Medium charakterisieren. Ob die Sonden dies schaffen war 1990 offen, da man nur vermuten konnte, wo der Übergang stattfindet. Die meisten Schätzungen setzten die Übergangszone bei 100-150 facher Erdentfernung an. Weiterhin hängt die Grenze von der Richtung ab in der die Sonde fliegt: Die Sonne umkreist die Milchstraße und so wird ihre Einflusszone zusammengedrückt in der Bewegungsrichtung und auseinandergezogen auf der anderen Seite. Pioneer 10 konnte so keine Veränderungen feststellen, weil sie in die falsche Richtung flog, nämlich gegen die Bewegungsrichtung der Sonne. Voyager 1 und 2 sind auf Bahnen unterwegs schräg gegen die Bahn der sonne und haben daher bessere Chancen.

Seit Februar 1998 ist Voyager 1 auch die entfernteste Sonde der Erde, denn dann hatte Sie Pioneer 10 überholt. Zwischen dem August 2002 und Februar 2003 übermittelten einige Instrumente verdächtige Werte für Partikel. Wissenschaftler deuteten dies als einen Hinweis darauf, das die Sonde die Grenze des Sonnensystems erreicht hat. Diese ist definiert als eine Schockfront, in welcher der Sonnenwind mit einer Geschwindigkeit von  1.2 Millionen km/h auf 160.000 km/h abgebremst wird. Ab da beginnt das interstellare Medium. Diese Schockfront wechselt je nach Sonnenaktivität, zudem gibt es bisher nur Vorstellungen wie der Übergang ist, so dass sich die Wissenschaftler nicht sicher sind wo genau sie verläuft. Dies liegt auch daran, dass das PLS Instrument, welches die Geschwindigkeit der Partikel messen könnte inzwischen nicht mehr funktioniert. Zum Zeitpunkt der Phänomene war Voyager 1 im Mittel 13.5 Milliarden. km von der Erde entfernt.

Ein Sonnensturm, der im Oktober 2003 die Mars Sonde Odyssey lahm legte, wurde von Voyager 2 im April 2004 und von Voyager 1 im Juli 2004 registriert. (Selbst bei hoher Geschwindigkeit brauchen die Teilchen Monate um bis zu den Voyagers vorzudringen, so weit sind sie inzwischen von der Erde entfernt. Sein Echo an der Heliopause kurze Zeit darauf, zeigte dass sich Voyager 1 der Heliopause schon stark genähert hatte. Am 24.5.2005 gab das JPL bekannt, dass die Sonde nun an der Heliopause angekommen ist. Am 17.12.12004 hatte die Raumsonde in 94 facher Entfernung der Erde von der Sonne (14.05 Milliarden km) bei gleicher Teilchendichte wie wenige Monate vorher eine rapide Abnahme der Geschwindigkeit des Sonnenwindes registriert. Zum gleichen Zeitpunkt wechselte die Richtung des Magnetfelds abrupt, wobei die Intensität um den Faktor 2.5 zunahm. Eine Zunahme an schweren Ionen und neue Radiowellen wurden registriert: Voyager hatte den "Termination schock", Schockwelle die beim Zusammenstoß des Sonnenwindes mit dem galaktischen Medium entsteht, passiert. Sie befindet sich nun in einer Zwischenzone (Heliostealth) in der das solare Medium in das interstellare Medium übergeht. Die letzte Runde, bevor Voyager das galaktische Medium erreicht, hat begonnen. Wie weit der Heliostealth geht ist umstritten. Voyager 2, die auf etwas langsamer und auf einer anderen Route unterwegs ist, sollte dieselbe Zone in 3-5 Jahren erreichen. Die Grenze dürfte variabel sein und von der Sonnenaktivität abhängen, die derzeit hoch ist.

Am 31.8.2007 registrierte auch Voyager 2 die ersten Termination Schockwellen mit dem Plasmawelleninstrument. Zu diesem Zeitpunkt war Voyager 2 83.7 astronomische Einheiten von der Sonne entfernt, detektierte die Wellen also in etwas geringerer Entfernung als Voyager 1. Allerdings befindet sich Voyager auch auf einer Bahn die sich von der von Voyager 1 unterscheidet.

Im August 2008 gab es dann nach der ersten Pressemitteilung eine Veröffentlichung in Nature. Das Schlüsselinstrument war das Plasmawelleninstrument an Bord von Voyager 2, das Radiowellen von der Übergangszone empfing. Voyager 2 durchquerte den Termination Schock gleich fünfmal, weil durch wechselnde Sonnenaktivität dieser vor und zurückwich. Erstaunlich war, dass die Temperatur deutlich geringer war als angenommen: Anstatt 1 Million Kelvin nur 200.000 K. Diese Temperaturen machen dem Roboter aber nichts aus, denn nur wenige Teilchen treffen auf die Sonde. Das ist vergleichbar einem Dampfbad mit über 100 °C, das ertragbar ist, während ein Bad in 100 °C kochendem Wasser tödlich ist. Geklärt werden muss noch die fehlende Energie, die sich in der niedrigeren Temperatur äußert. Eine Vermutung ist, dass sie dazu dient Teilchen zu ionisieren.

Aus den Daten extrapolieren die Wissenschaftler, das das interstellare Magnetfeld nicht überall die gleiche Stärke hat, und so die Grenze des Sonnensystems eingedellt ist (siehe Grafik).  Bis die Sonden den Heliostealth durchquert haben und in der Heliopause angekommen sind könnte es weitere 7-10 Jahre dauern.

Im Juni 2011 gab die NASA bekannt, dass die Voyagers ein neues Phänomen an der Grenze des Sonnensystems festgestellt haben. Dort gibt es etwa 100 Millionen km durchmessende große magnetische Blasen. Es ist ein turbulentes Magnetfeld, dass hier keinen harten Übergang zu dem interstellaren Medium bildet. stattdessen gibt es Blasen im Magnetfeld. Eine genaue Erklärung gibt es noch nicht. Das Derzeitige Verständnis ist das das Magnetfeld den ionisierten Teilchen der Sonne folgt und sie in dieser Entfernung abgebremst werden und umgelenkt werden. Da das Magnetfeld diesen Teilchen folgt, bildet es die Blasen. In den Modellen traten diese Phänomene nicht auf, weil sie so kleinräumig sind, verglichen mit den großen Entfernungen zwischen den Sternen, aber auch der Sonne und der Region wo sie sich befinden. Die Wissenschaftler wollten warten bis auch Voyager 1 diese Zone erreicht hat und das Phänomen, das von Voyager 1 schon vor einigen Jahren beobachtet wurde bestätigen konnte. Inzwischen kann man Voyager nur noch mit den 70 m Antennen kontaktieren. Muss die NASA auf eine 34 m Antenne ausweichen, so muss sie zwei zusammenschalten um die Daten noch zu entziffern. Seit 2007 wird für Voyager 1 für das Auslesen des Bandrekorders mit 1400 Bit/s eine 70 m Antenne mit einer 34 m Antenne benötigt. Voyager 2 folgte aufgrund der geringeren Distanz 2011. Immerhin haben beide Raumsonden dann noch immer eine höhere Datenrate als sie für New Horizons nur in Neptun-Entfernung erwartet wird.

Die langfristige Planung

Die Voyagers arbeiten weiter, solange man noch Instrumente betreiben kann. Prinzipiell gibt es nur zwei Ressourcen die knapp werden können an Bord: Der Treibstoffvorrat, der mehr als ausreichend ist für 70 Jahre, so beträgt beim Schreiben dieses Aufsatzes (23.10.1999) der Vorrat an Voyager 1 betrug 32.26 kg und 34.05 kg an Bord von Voyager 2, der Verbrauch in einer Woche liegt bei zirka 10 g, so das die Sonden noch lange arbeiten können. Der Treibstoff dürfte noch für mindestens 50 Jahre ausreichen.

Anders sieht es bei der Stromversorgung aus, diese nimmt langsam aber stetig ab und zwingt zum Abschalten eines Instrumentes nach dem anderen. Die Abnahme beträgt etwa 4.7 Watt pro Jahr. Seit dem letzten Planetenbesuch arbeiten nur noch Teilchen und Welleninstrument. Die Teilchenexperimente werden noch eine Zeitlang arbeiten. Im Jahre 1999 liefern die RTGs noch 322 Watt und eine Reserve von 40 bzw. 68 Watt. 2003 waren es noch 315 Watt. Unterhalb von 245 Watt kann die Sonde nicht betrieben werden. Im Jahre 2005 waren noch die folgenden Instrumente aktiv: Cosmic Ray Detector, Magnetometer, Plasma Wave Detector (PWS) und low-energy charged particle detector (LECP) auf beiden Sonden. Auf Voyager 1 isst noch das UVS im Stand-B und auf Voyager 2 noch das PLS aktiv. Alle anderen Instrument könnte man jederzeit wieder aktivieren. Die Daten werden mit 160 Bit/sec zur Erde übertragen. Davon entfallen 10 Bit/sec auf Statusdaten der Sonde. Wenn das UVS aktiviert werden sollte müsste man die Datenrate auf 600 Bit/sec erhöhen. Jede Woche werden 48 Sekunden lang Plasmawellen mit hoher Datenrate (115.2 KBit/sec) aufgezeichnet und die gesammelten Daten alle 6 Monate mit 1.4 KBit/sec zur Erde übertragen. Dann bekommt Voyager auch Support von den 70 m Antennen, während es sonst mit den 34 m Antennen sich begnügen muss. Die Kommandorate zur Sonde beträgt 16 Bit/sec.

Im Jahre 2011 (V-1) und 2010 (V-2) werden die Gyroskope abgeschaltet, damit kann das Magnetometer nicht mehr kalibriert werden. Die Gyros dienen der Stabilisierung der Sonde und für die Kalibrierung des Magnetometers muss sich die Sonde um alle 3 Achsen einmal drehen, was sie bisher mit den Gyroskopen, die als riesige Schwungräder dienen tut. Im Jahre 2010 (V-1) / 2012 (V-2) muss der Bandrekorder abgeschaltet werden, Daten können dann nur noch in den kleinen Computerspeichern gehalten werden. Das Plasmawelleninstrument wird dann keine Daten mehr liefern können, da es eine sehr hohe Datenrate hat. Bislang wird regelmäßig 48 Sekunden lang die Intensität der Radiostrahlung zwischen 40 Hz und 56 kHz gemessen und mit 115200 Bit/sec auf den Bandrekorder geschrieben und dann verlangsamt ausgelesen.  Ab 2016 wird dann bei V-2 das PLS abgeschaltet. 2016 / 2018 beginnt dann das "Power-Sharing", die Instrumente werden nicht mehr alle gleichzeitig betrieben, frühestens 2020 reicht der Strom nicht mehr für ein einziges Instrument aus. Die Voyagers hatten dann seit dem Start 43 Jahre gearbeitet und eine Distanz von 22.5 Milliarden. km (V-1) bzw. 18 Milliarden. km (V-2) erreicht haben - mit Funklaufzeiten von bis zu 21 Stunden zur Sonde! Eventuell arbeiten die Voyagers noch bis 2025.

Im Jahre 2005 wurde bekannt, dass Voyager ernsthaft gefährdet ist. Die NASA braucht einen Etat von 74 Millionen USD pro Jahr für den Betrieb von Sonden und Satelliten die ihre nominelle Betriebszeit weit überschritten haben und nun auf Sparflamme weiter operieren. Dies sind neben den Voyagers auch die Sonnensonde Ulysses und der Satellit WIRE. Davon wurden nur 53 Millionen bewilligt und so plant man die Voyagers zum Ende des Haushaltsjahrs (Oktober 2005) abzuschalten. Dabei kostet der Betrieb und die Datenauswertung lediglich 4.2 Millionen USD pro Jahr. Derzeit arbeiten nur noch 10 Personen in Vollzeit an Voyager. Zur Spitzenzeit bei den Vorbeiflügen waren es etwa 300. Die Wissenschaftliche Gemeinde, nicht nur die Projektwissenschaftler waren konsterniert: 4.2 Millionen USD einzusparen bei einem NASA Etat von 16.495 Millionen USD für 2006, ausgerechnet bei den einzigen Sonden, die derzeit in die Heliopause vordringen ist logisch nicht zu begründen. Gerade jetzt wo es die Anzeichen für das Überqueren der Heliopause gibt. Dabei ist nur eine Sonde geplant die auch das Sonnensystem verlässt. New Horizons würde aber frühestens in 25 Jahren die Entfernung von Voyager 1.  Ihre Stromversorgung würde aber weitaus früher ausfallen. Tröstlich ist dagegen, dass die NASA jedes Jahr 3200 Millionen Dollar für etwa 6-7 Flüge des Space Shuttles zur Verfügung hat.

Nach weltweiten Protesten wurden diese Pläne eingestellt derzeit läuft die Anfrage nach weiteren 3 Jahren Förderung. Die Situation wurde auch durch den Ausfall von Ulysses entschärft, bei der der Strom nicht mehr zum Heizen des Hydrazins ausreicht.

Am 5.1.2005 war Voyager 2 insgesamt 10.000 Tage in Betrieb. Am 20.1.2005 folgte Voyager 1. Voyager sind schon seit Jahren die am längsten genutzten Raumsonden. Sie haben seitdem zahlreiche andere Projekte überlebt wie Galileo, MIR und werden auch die Milliardengräber Space Shuttle und ISS überleben (geplantes Einstellen: ISS 2020).

Die Nachfolger

Als die Voyagersonden starteten, dachte man am JPL, das Sie nur die ersten Vorbeiflugsonden sein würden, denen bald Orbiter um die Planeten folgen würden, Galileo war schon in Arbeit und sollte 1982 starten. Ein ehrgeiziges Programm sah den Start von Orbitern zu Saturn, Uranus und Neptun für die achtziger Jahre vor. Dem sollten Titanorbiter und Landesonden folgen.

Doch es kam völlig anders. Die Carter Administration war der Raumfahrt nicht wohl gesonnen und neue Projekte zur Planetenerkundung konnte nicht verwirklicht werden. Bei Reagan verschlimmerte sich die Situation noch, dieser lehnte Planetenforschung total ab und strich sogar Missionen mit internationalen Partnern. Erst unter Bush und später Clinton gewann die Planetenforschung wieder etwas Fuß. Allerdings werden heute nur noch Sonden des Discovery Programms gestartet: Derartige Missionen sind mit 150-200 Mill. USD relativ preiswert, aber auch dadurch beschränkt. Eine Mission zu den äußeren Planeten benötigt aber eine wesentlich größere Trägerrakete und wesentlich längere Flugdauer, schon alleine dadurch sind Missionen zu den äußeren Planeten nicht mit "Discovery" Missionen zu verwirklichen.

Heute ist Cassini als die letzte große Mission im Saturnsystem unterwegs. Seit Januar 2006 folgt die New Horizons Sonde zu Pluto. Frühestens 2012 wird Juno, ein Magnetosphärenorbiter von Jupiter folgen. Es ergibt sich ein Problem mit der Reisezeit. Die Voyager Sonden konnten deswegen die Planeten so schnell anfliegen, weil Jupiter und Saturn die Sonden enorm beschleunigten. Für ein Einbremsen in einen Orbit ist dies aber ungünstig, denn diese Geschwindigkeit muss wieder abgebaut werden. So nähert sich Cassini Jupiter nur auf 10 Mill. km, um nicht zu viel Geschwindigkeit zu gewinnen, dafür dauert auch die Reise vom Jupiter zum Saturn doppelt so lange wie bei Voyager.

Die kürzesten Reisezeiten bei minimaler Abbremsung (auf Hohmann Bahnen, ohne Swing-Bys) von der Erde aus betragen:

Obwohl also die Startgeschwindigkeit steigt, wird die Reisedauer immer länger. Praktischerweise wird man eine Startgeschwindigkeit von mehr als 14.1 km/s einsparen können indem man ein Jupiter Fly-By nutzt, aber die Reisedauer bleibt, denn die ergibt sich aus einer möglichst niedrigen Ankunftsgeschwindigkeit. Die langen Reisezeiten verbringen heutige Sonden im inaktiven Zustand, wodurch vor allem bei der Bodenkontrolle viel Geld eingespart wird.

Ein Ausweg dafür sind elektrische Triebwerke - mit einem kleinen Reaktor könnte man zuerst stark beschleunigen und vor dem Zielplanet wieder abbremsen. Leider litt die Erforschung von elektrischen Triebwerken genauso wie die Planetenforschung in den letzten Jahrzehnten, es wurden kaum neue Satelliten mit Triebwerken gestartet oder gar eine Sonde ganz damit betrieben. Erst mit DS-1 ist dies geschehen. Noch gravierender ist aber dass man im äußeren Sonnensystem für den hohen Stromverbrauch von elektrischen Triebwerken einen Kernreaktor benötigt. Die Entwicklung von Kernreaktoren im Weltraum wurde im Westen schon Mitte der sechziger Jahre eingestellt. Im Jahre 2003 kündigte die NASA das Projekt "Prometheus" an, bei dem diese Technologien erforscht werden sollten und aus dem eine Mission zur Erkundung der galiläischen Monde hervorgehen sollte. Es wurde jedoch bereits 2005 wieder eingestellt. Ebenso eingestellt wurde im Jahre 2003 eine Raumsonde zur Erkundung des Jupitermonds Europa.

Es gibt heute Ideen sehr leichtgewichtige Sonden zu bauen und dann mit RTG als Stromquelle und Ionentriebwerken die Sonden über Jahre zu beschleunigen und am Ziel wieder abzubremsen. Derartige Sonden wären dann sehr klein, etwa 200-400 kg schwer und mit limitierter Experimentausstattung. Es wäre jedoch finanzierbar. Die RTG haben sich als weitere Kostenfaktor entpuppt. Ein RTG in der Bauweise der Voyager MHW, nur der derzeit aktuellen Technik (GPHS-RTG mit 285 Watt Leistung und 56 kg Gewicht) kostet neu 90 Millionen Dollar in der Fertigung. Der Grund ist die aufwendige Gewinnung des Plutonium-238 Isotops. Stirling Motoren könnten den Wirkungsrad um den Faktor 3 erhöhen und so die Plutoniummenge stark herabsetzen. Dadurch könnten die RTG wieder billiger werden.

Bis Jupiter kann man heute Solarzellen einsetzen. Es gibt sowohl Solarzellen die bei diesen tiefen Temperaturen noch arbeiten können, wie auch Techniken das Licht soweit zu konzentrieren, dass die Solarzellen nicht viel schwerer als RTGs mit der gleichen Leistung sind.

Wäre mit der heutigen Technik mehr zu erreichen?

In Zeiten in denen ein neu gekaufter Personalcomputer die Leistung aller 6 Bordrechner von Voyager um den Faktor 100.000 übertrifft, kann man schon ins Grübeln kommen, was mit moderner Hardware möglich wäre. Sicherlich hat die Halbleitertechnik enorme Fortschritte gemacht, die auch Auswirkungen auf bestimmte Experimente haben. So sind heute CCD Chips erheblich empfindlicher als die Vidiconröhren wodurch Belichtungszeit sinken und man lichtschwächere Objektive verwenden kann, dadurch wären Aufnahmen aus größerer Distanz möglich. So wird Cassini bei nur 7,9 % größerem Teleskopdurchmesser eine 50 % höhere Auflösung besitzen. Was die Kameras betrifft, wären nur quantitativ mehr Ergebnisse zu erwarten, nur eine geringere qualitative Verbesserung.

Warum?

Nun der grundlegende Nachteil einer Vorbeiflugsonde ist eben, das Sie nur einen Schnappschuss liefern kann. Deutlich ist dies bei Karten der Uranusmonde und Neptunmonde, die nur knapp eine Hälfte des Mondes zeigen. Nämlich die Seite, welche der Sonde beim Vorbeiflug zugewandt ist. Selbst bei größeren Vergrößerungen wird daran und das man bestimmte Gebiete am Rand nur verzerrt aufnehmen kann, nichts ändern. Auch die Veränderungen die erst das Verständnis vieler Phänomene ermöglichen, können so nicht erforscht werden. Das gilt für die Magnetfelder, Strahlungsgürtel wie auch die Atmosphären der Planeten. So ist der Wirbelsturm auf Neptun den Voyager 2 im Jahre 1989 entdeckte, inzwischen verschwunden und ein neuer hat sich gebildet.

Weiterhin kann eine Sonde nur das entdecken, was Sie auch beobachten kann. Bei einem Vorbeiflug liegt es in der Natur, das die Bahn zur Beobachtung bestimmter Dinge nicht günstig ist. Deutlich wird dies bei den Distanzen zu den Monden. Von vielen haben wir nur unscharfe Bilder, weil keine Sonde nahe genug an sie heran kam. Europa z.B.. ist durch Voyager nur schlecht photographisch erfasst. Dinge mit denen man nicht rechnet, kann man eigentlich nur entdecken wenn man routinemäßig Daten sammelt und dann auswertet. Für eine nähere Untersuchung ist aber dann die Sonde schon wieder zu weit entfernt. Ein Orbiter hat diese Probleme nicht. Daher waren die beiden nächsten Schritte Galileo und Cassini - Orbiter um Jupiter und Saturn.

Eine Lösung gibt es in manchen Sonderfällen: CCD Chips sind so empfindlich, dass Cassini Aufnahmen der Nachtseiten der Saturnmonde machen konnte - Die Beleuchtung stammte dabei von Saturn. Stimmt die Geometrie der Stellung des Mondes und des Vorbeiflugs so ist dies eine Lösung. Unabhängig von der Beleuchtung kann ein abbildendes RADAR Aufnahmen machen. Das Radar an Bord des deutschen Satelliten SARLupe erreicht aus 500 km Distanz eine Auflösung von 1 m, ist also 5 mal leistungsfähiger als Voyagers Kameras. Allerdings sind Radargeräte mit ihren schweren Phased Array Antennen und ihrem hohen Stromverbrauch schwer für Vorbeiflugsonden geeignet.  Eine miniaturisierte Version wird derzeit an den beiden Mondorbitern LRO und Chandrayaan-1 getestet. Es wiegt nur 12 kg und hat einen moderaten Stromverbrauch, der allerdings auch bis zu 157 Watt betragen kann. Aus 50 km Entfernung gewinnt es Aufnahmen von 7.5 m Auflösung. Das entspricht etwa der halben Auflösung der Weitwinkelkamera - nicht viel, aus 100.000 km Entfernung, einer typischen Passagedistanz wären es dann nur noch 15 km.

Was sich allerdings getan hat, ist dass Instrumente heute um ein vielfaches leistungsfähiger sind. Sie können zwar nicht den Makel eines zeitlichen und räumlich begrenzten Schnappschusses beseitigen, aber in diesen Grenzen viel mehr Erkenntnisse gewinnen. Plasmainstrumente erstellen heute eine dreidimensionale Karte der Umgebung, analoges können Magnetometer. Eine Revolution gab es bei den Spektrometern. Neben den klassischen Spektrometern, die ein Spektrum eines Messpunktes machen (heute in höherer Auflösung und bis ins ferne Infrarot möglich) gibt es die neue Klasse der abbildenden Spektrometer: Sie erstellen durch das zeilenweise Abscannen beim Vorbeiflug eine Karte in 64 oder 256 Spektralkanälen gleichzeitig. Die nächste Generation mit bis zu 1024 Spektralkanälen steht vor der Tür. So kann man bei Titan bis zum Boden blicken, beim Mond und Mars einzelne Mineralien voneinander unterscheiden.

Nach Voyager?

Schon kurz nach dem Start von Voyager wurde Galileo als Jupiter Orbiter konzipiert. Das eröffnete es den Missionsspezialisten von Voyager zu Galileo zu wechseln und somit weiterentwickelte Versionen ihrer Instrumente zu entwickeln. Doch diese Mission stand unter keinem guten Stern: Erst machten Verzögerungen beim Shuttle eine Verzögerung um 4 Jahre beim Start aus - ein Vorbeiflug am Mars musste entfallen. Dann kam 4 Monate vor dem Start die Explosion der Challenger und damit weitere 3 Jahre Verzögerung und eine neue Route über die Venus und Erde, weil die leistungsfähige Centaur Oberstufe aus Sicherheitsgründen nicht mehr eingesetzt wurde. Nach dem Start stellte man dann fest das durch das mehrmalige transportieren der Sonde quer durch die USA wegen der Startverschiebungen Schmieröl aus dem Entfaltmechanismus der Hauptantenne gelaufen ist und die Sonde so nur 1/1000-1/10000 der Datenrate liefern kann.

Galileos Mission ging Ende 2003 zu Ende. Die Sonde hat zwar erheblich länger als ihre vorgesehenen 20 Monate gearbeitet, doch durch den Defekt der Hauptantenne gab es große Einschränkungen im Messprogramm.

Cassini ist die größte und teuerste Raumsonde die je gebaut wurde. Analog Galileo soll diese das Saturn System und seine Monde, vor allem Titan erforschen. Bislang läuft die Mission ohne Probleme und die Bilder der Sonde sind von ausgezeichneter Qualität.

Was sicher keiner der Projektwissenschaftler von Voyager dachte war wie bedeutungsvoll die verpasste Pluto Passage werden würde. Wie schon im Teil 1 erwähnt, bestand die Möglichkeit auch die Sonde nach Saturn zu Pluto zu lenken. Man verzichtete darauf, weil man vor dem Start selbst Pluto für uninteressant hielt - genauso wie die Monde der Gasplaneten. Doch wie bei diesen rächte sich dies bald. Zuerst entdeckte man 1978, das Pluto ein Doppelplanetensystem wie die Erde ist. In den achtziger Jahren entdeckte man das er zudem eine Atmosphäre hat, die sich allerdings nur in Sonnennähe (nächster Punkt 1989, etwa zu diesem Zeitpunkt hätte ihn eine Sonde erreichen können) bildet. Pluto war plötzlich interessant, aber keine Mission zu ihm unterwegs oder geplant.

Es gab in den neunziger Jahren zahlreiche Pläne für Plutomissionen. Doch Im Jahre 2000 wurde die schließlich eingeschlagene Mission PKE (Pluto Kuiper Express) gestrichen, weil die Kosten ausuferten. Es gelang einem Team um Alan Stern von der John Hopkins Universität eine preiswerte Alternative durchzusetzen und seit Januar 2006 ist die Raumsonde New Horizons unterwegs zu Pluto. Sie wird ihn im Juli 2015 erreichen.

Missionen zu den Planeten Uranus und Neptun sind derzeit nicht geplant. Die Planeten selbst sind mit den neuen Großteleskopen und HST auch von der Erde aus noch untersuchbar, bei den Monden ist dies natürlich nicht mehr der Fall.

Voyager in Zahlen

Das Buch zu den Sonden

Nach vielen Jahren – mit den Voyagersonden fing mein Interesse an Raumfahrt an – habe ich mich 2022 zum 45-sten Jubiläum des Starts aufgerafft, doch ein Buch über die Sonden zu schreiben. Anfangs meinte ich, den doch sehr ausführlichen Artikeln auf der Website nicht mehr viel hinzufügen zu können, aber beim Stöbern in den NASA-Archiven und den Voyager-Messengern, von denen auch 100 erschienen, ist es doch ein ziemlich umfangreiches Buch geworden.

Auf 600 Seiten findet sich so ziemlich alles, was man zu den Sonden wissen muss, vielleicht sogar einiges was man nicht wissen muss. Es ist damit etwa dreimal umfangreicher als die Webaufsätze, besser gegliedert, mit mehr Bildern und ich hoffe auch leichter zu lesen.

Hier der Link zur Verlagsseite, wer online bestellt, dem rate ich bei BOD, meinem Verlag, zu bestellen, da dann die Marge für mich etwas größer ist. Dank Buchpreisbindung wird es woanders auch nicht billiger sein und der Versand ist kostenlos. Aber es gibt das Buch auch bei Amazon. Das Buch kostet als Printausgabe 49,99 Euro, als E-Book 29,99 Euro.

Links

NSSC Informationen Voyager 1

NSSC Informationen Voyager 2

Voyager Atlas of Saturn NASA SP-474

Die Voyager Homepage des JPL informiert über die Mission und die Ergebnisse.
Die Projekt Voyager Homepage geht auf die Raumsonde selbst mehr ein und vor allem über die aktuellen und geplanten Aktivitäten. Dort finden Sie auch den Inhalt der Schallplatte die Voyager den Aliens bringt...

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt. Sie können das Buch direkt beim Verlag kaufen (versandlostenfrei). Dann erhalte ich als Autor eine etwas höhere Marge, aber auch über den normalen Buchhandel, Amazon (obige Links) und alle anderen Portale wie Bücher.de oder Libri.

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