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Voyagers Mission: Uranus und Neptun

Uranus

Schon im Frühjahr 1981 wurden mit einem Kurskorrekturmanöver die Weichen für den Flug von Voyager 2 zu Uranus gestellt worden. Die NASA hatte das Okay. bekommen, obgleich die Sonden nur für 4 Jahre ausgelegt waren und Voyager 2 beim Erreichen des Uranus mehr als doppelt so alt sein würde. Andererseits waren zu diesem Zeitpunkt Voyager und der Viking Lander 1 die noch einzigen aktiven Planetensonden, und neue Starts nicht vor dem Jahre 1986 abzusehen. So bekam man die Verlängerung der Mission genehmigt, obwohl eine interne Untersuchung davon ausging, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Sonde bei Uranus noch funktionsfähig sein würde noch 65 % betrug und für Neptun sogar auf 40 % fiel. Das Problem war, dass man wegen der begrenzten Computerkapazität der Sonden auf der Erde viel Manpower benötigte und der Betrieb der Sonden daher teuer war. Beim Saturnvorbeiflug arbeiteten 280 Ingenieure und Techniker und 120 Projektwissenschaftler exklusiv für Voyager. Selbst der Betrieb zwischen den Vorbeiflügen kostete die NASA 30 Millionen USD pro Jahr. Dies war der Reagan Regierung zu viel, die am liebsten alle Planetensonden gestrichen hätte. Doch die Bestrebungen Missionen zu streichen gab es erst Anfang 1982 und weil da Voyager 2 schon auf Kurs zum Uranus war, ließ man von diesem Vorhaben ab.

Natürlich waren die Voyagers auch nach dem Vorbeiflug noch aktiv. Die meisten Experimente an Bord von Voyager waren Experimente zur Untersuchung von Wellen, Teilchen und Staub, denn es auch jenseits der Planeten gab. Nur die Spektrometer, Kameras und das Photopolarimeter waren bei den Planeten aktiv. Das Extrem-UV Spektrometer war sogar das einzige seiner Art an Bord einer Sonde oder eines Satelliten und es wurde außerhalb der "Encounter" für normale astrophysikalische Untersuchungen von Sternen und anderen astronomischen Zielen genutzt.

Voyager 1 überquerte Ende März 1984 die Uranusbahn, hatte bis dahin also schon einen Vorsprung von 20 Monaten gegenüber Voyager 1 (Bei Jupiter waren es noch 3 Monate und bei Saturn 9 Monate). Am 22.3.1987 überquerte sie auch die Neptunbahn, 29 Monate früher als Voyager 2. Dies liegt an der höheren Geschwindigkeit von Voyager 1, welche diese durch die beiden nahen Vorbeiflüge an Jupiter und Saturn erreicht hat. Neptun bremste Voyager 2 sogar noch ab. Auch heute entfernt sich Voyager 1 schneller von der Sonne als ihre Schwestersonde

Beginnend ab Oktober 1985 gewannen die Voyagers mehr Daten von den Teilchen und Welleninstrumenten, weil sie nun in eine Region vorstießen, welche bislang unbekannt waren. Sehr bald konnte die Entdeckung von Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Kohlenstoff und Argon vermeldet werden die mit hoher Geschwindigkeit (30000 km/s einschlugen. Es waren Ionen der Sonne die auf die Interstellare Materie prallten,. wobei sie hoch beschleunigt wurden und zurück ins Sonnensystem gelenkt wurden. Der Nachweis von Argon und Kohlenstoff war der erste direkte Nachweis dieser Elemente.

Uranus - eine neue Sonde erreicht den geheimnisvollen Planeten

Als die Sonde 1986 Uranus erreichte, hatten die Ingenieure soviel Zeit zur Verfügung, das Sie die grundlegenden Systeme der Sonde umprogrammierten, zum ersten Mal in der Geschichte der Raumfahrt übrigens. "Die Sonde die Uranus erreicht ist nicht dieselbe, welche die Erde verlassen hat" sagte ein Projektwissenschaftler.

Was waren die Probleme bei Uranus?

• Uranus ist 2 mal weiter von der Sonne und der Erde entfernt als Saturn, das bedeutet, das die Funksignale 4 mal schwächer ankommen, man also die Datenrate reduzieren muss, und die Kameras 4 mal länger belichten müssen
• Gleichzeitig ist Uranus kleiner als Jupiter und Saturn: er hat nur 40 % des Durchmessers des Saturns und ein Drittel des Jupiters, so füllt der Planet die Telekamera erst 5 Tage vor der Begegnung aus, man erhält also wesentlich weniger Bilder und Daten von den Spektrometern, die auch mit einem Teleskop arbeiten.
• Der verfügbare Strom ist von 480 Watt am Start und 435 Watt bei Saturn auf nur noch 400 Watt gefallen - nicht mehr genug um alle Systeme gleichzeitig in Betrieb zu nehmen. (Bedarf bei Nutzung aller Instrumente: 420 Watt).

Das letzte Problem war am besten zu lösen, man begann auf der Erde mit Simulationen des Vorbeifluges und legte dann fest, welche Geräte wann eingeschaltet sein dürften. Danach machte den Versuch in der Praxis bei Voyager 1 noch vor der Begegnung, es zeigte sich das ein Betrieb nahe der 400 Watt Grenze vertretbar war. (Voyager 1 dient seit dem Saturnvorbeiflug gerne als Experiment für neue Technologien. Erst wenn diese dort funktionieren, wird die Software auch auf Voyager 2 übertragen). Schlussendlich modifizierte man die automatischen Rettungsprogramme, die anspringen wenn der Strom teilweise ausfällt, dass sie die Geräte abschalteten auf die man am besten verzichten konnte.

Für das Problem der geringen Datenübertragungsrate mussten ausgefeiltere Lösungen her. So begann man auf der Erde Antennen zusammenzuschalten. Normalerweise wäre der Empfang über eine 64 m Antenne in Goldstone, Perth oder Madrid gelaufen. Mit Datenraten von 7.2-9.6 KBit bei einer 64 m Antenne wären erheblich weniger Daten empfangen worden als beim Saturn. Nun koppelte man jeweils dazu noch eine 34 m Antenne dazu (14.4 KBit) und in Australien eine weitere 64 m Antenne (29.9 KBit, von denen aber nur 21.6 KBit genutzt wurden).

Gleichzeitig begann man die Datenmenge zu reduzieren. Es wurden zu den Daten noch Codeblöcke übertragen, die es erlaubten, bei falsch übertragenen Signalen, diese auf der Erde zu korrigieren, ähnlich wie der CRC Check bei der Übertragung von Daten übers Modem. Bisher verwendete man den Golay Code dafür, der genauso viele Codebits wie Datenbits umfasste, nun verwendete man den moderneren Reed-Solomon Code, der auf 6 Datenbits nur ein Codebit verwendete, so das die nutzbare Datenmenge um 70 % gesteigert werden konnte. (Dieser Algorithmus macht auch die Fehlerkorrektur in CD Spielern). Als Nebeneffekt wurde auch die Zuverlässigkeit von 5 fehlerhaften Bits auf 100.000 auf eines auf eine Million gesteigert. Diese Entscheidung fiel nicht leicht, da die Codierung von spezieller Hardware durchgeführt wurde. Die Golay Hardware war redundant an Bord, die Reed-Solomon dagegen nicht.

Zuletzt ging man bei den Bilddaten an eine verlustbehaftete Reduktion. Man machte sich die Tatsache zu nutze, dass sich die Pixels abseits von Kanten nur gering in ihrer Helligkeit unterscheiden, und übertrug so für einen Teil der Bilder nicht mehr 8 Bits pro Bildpunkt sondern nur 3 - Die Differenz der Helligkeit zum vorhergehenden Bildpunkt. Nur für die erste Spalte wurde der erste Bildpunkt vollständig gesendet, die restlichen 799 als Differenz. Dazu verzichtete man auf die Reservefunktion des FDS Computers und fütterte diesen mit Kompressionsalgorithmen. Modernere Verfahren wie Huffmann (GIF Codierung), waren wegen der begrenzten Speichermenge der Computer nicht möglich. Bei den anderen Instrumenten waren solche Eingriffe nicht nötig, da die Kamera das Instrument war, welches die meisten Daten lieferte. Danach kamen die Plasmainstrumente (57.6 KBit, allerdings nur periodisch) und danach die Spektrometer, die mit nur 2500 Bit/sec, gerade mal ein 40 stel Datenrate der Kamera hatten.

Als Summe betrug die Nettozeit für die Übertragung eines Bildes bei Uranus 104 Sekunden, also nur unwesentlich länger als bei Saturn (88 Sekunden). Ohne diese Vorgehensweise hätte man 533 Sekunden gebraucht.

Das Problem des geringen Lichtes war jedoch ein schwierigeres. Die Belichtungszeiten waren jetzt so lang, das schon Systeme der Sonde störten. Für eine Aufnahme von Miranda (Bild rechts) musste man z.B. 1.44 Sekunden belichten. So bekam die Sonde jedes Mal einen Stoß wenn das Bandgerät auf den Hochgeschwindigkeitsmodus schaltete. Der gleiche Stoß kam beim Stoppen der Spule in die Gegenrichtung vor. Bei 1.,44 Sekunden wäre so das komplette Bild verwackelt  gewesen. Man kompensierte dies indem man die Lageregelungsdüsen auf Kommando genau entgegengesetzt betrieb. Dazu mussten aber die Schubkräfte reduziert werden. Die Düsen von Voyager können nach Spezifikation minimal 10 ms lang betrieben werden. Doch ginge es auch mit 5 Millisekunden ? Man probierte es bei 5 bauidentischen Düsen auf der Erde aus Danach wurde das Verfahren bei Voyager 1 getestet.  Das Verfahren funktionierte und wurde so auch angewandt. Trotzdem plante bei die Projektleitung bei Uranus nur 6 Langzeitbelichtungen um nach Ringen und Ringmonden zu suchen. Später bedauerte Brad Smith, Leiter des Kamera Teams dies. "Wir hätten mehr Vertrauen in die Arbeit unserer Ingenieure haben sollen".

Das nächste Problem war bei den nahen Vorbeiflügen an Miranda und Ariel die Bewegungsunschärfe: Voyager bewegte sich mit 20 km/s relativ zu Miranda, bei 1.44 Sekunden Belichtungszeit wären die Bilder also nie schärfer als 28 km/Bildpunkt geworden. Mit dem Schwenkarm alleine konnte man dies nicht ausgleichen, dazu war dessen Bewegung zu grob, so schwenkte man bei diesen Begegnungen die ganze Sonde mit Hilfe der Lageregelungsdüsen. Als Ergebnis erhielt man teilweise schärfere Bilder als bei Saturn oder Jupiter. Dazu musste man aber einen Trick machen, denn die Sonde war ja auf die Sonne ausgerichtet und verlor bei diesem Manöver kurzfristig die Funkverbindung, was normalerweise das Computersystem verhindert hätte. Man übergab dem Steuercomputer ein Signal anstatt des echten Sonnensensor - Signals, das eine Drift signalisierte und dieser steuerte dann die Sonde dem angeblichen Drift hinterher - und hielt so die Kameras auf einen Punkt ausgerichtet.

Nach den Erfahrungen bei Saturn legte man auch großen Wert auf die zuverlässige Funktion des Schwenkarmes. Zahlreiche Simulationen zeigten, das man ihn problemlos mit geringer Geschwindigkeit würde betreiben können, 4 Einsätze mit mittlerer Geschwindigkeit wurden für wissenschaftlich wertvolle Ziele vorgesehen. Als Absicherung wurde ein Computerprogramm geschrieben, das im Falle eines Stockens die ganze Sonde mit den Steuerdüsen bewegt hätte und man so auf den Schwenkarm vollständig verzichtet hätte. Auf hohe Geschwindigkeiten verzichtete man angesichts der Vorschädigung beim Saturnvorbeiflug.

Auch der fehlerhafte Sender sollte, soweit wie möglich, in Griff bekommen werden, da sich die Frequenz schon bei Änderung der Sondentemperatur um ein Viertel Grad um 100 Hz änderte, legte man genau fest wann welches Gerät eingeschaltet sein dürfte und wie man auf der Erde die Empfangsfrequenz anpassen müsste. Das Verfahren klappte und Voyager 2 flog am Uranus ohne Kommunikationsprobleme vorbei. Es gab sogar weniger Ausfälle als bei den beiden vorhergehenden Begegnungen.

Trotzdem gab es 6 Tage vor dem Vorbeiflug Aufregung: Auf den komprimierten Bildern durchzogen Felder mit dunklen und hellen Linien das Bild. Auf den unkomprimierten Bildern war dies nicht der Fall. Man tippte auf einen Softwarefehler und rief den Inhalts des FDS zur Erde ab. Ergebnis: Ein einziges Bit war keine 0 sondern eine 1. Dies könnte durch ein kosmisches Teilchen oder einen Ausfall der Speicherstelle verursacht sein. Man versuchte das Bit durch Kommando wieder zu löschen - ohne Erfolg, daraufhin schrieb man das Programm um und umging die fehlerhafte Speicherstelle, 4 Tage vor der Annäherung klappte dann wieder die Übertragung der Daten.

Uranus lieferte denn nun auch wichtige Daten, für die Liebhaber von "pretty nice Pictures" war die Mission aber eher dürftig: Uranus selbst war nur als blaue, strukturlose Murmel auf den Fotos zu sehen. Selbst bei aufwendiger Nachbearbeitung waren kaum Strukturen auszumachen. Das lag an einer dicken Smogschicht aus Methan, die über den Wolken lag. Auch bei den Monden war der Vorbeiflug ungünstig. Bei Jupiter und Saturn flog die Sonde die Monde nacheinander an, in beiden Fällen vor und nach dem Vorbeiflug, so dass die Sonde etwa 1-2 Tage lang Fotos von den Monden machte. Die Monde des Uranus wurden durch die seltsame Bahnneigung von 98 Grad nicht hintereinander, wie bei Jupiter und Saturn, sondern nahezu gleichzeitig passiert. Voyager passierte Uranus wie ein Dart Pfeil, der auf eine Zielscheibe fliegt: Eine nahe Begegnung mit Miranda und Ariel bedeutet zwangsläufig große Abstände zu Titania, Oberon und Umbriel. Diese Konstellation ist bedingt durch die 98 Grad Neigung der Uranusachse. 42 Jahre lang schaut die Nordhalbkugel zur Sonne, 42 Jahre die Südhalbkugel, nur alle 21 Jahre lang liegt die Rotationsachse senkrecht zur Ekliptik und die Sonne scheint direkt auf den Äquator dann kann eine Raumsonde alle Monde nacheinander passieren. Als Voyager 2 Uranus erreichte schaute der Südpol direkt zur Sonne und die Monde standen fast denkrecht zur Ekliptik - die nahezu schlechteste Position die denkbar war. Da man Uranus sehr nah passieren musste, um zu Neptun zu gelangen konnte man nur den innersten Mond Miranda nah passieren: Man war mit dieser Entscheidung nicht glücklich, weil Miranda sehr klein ist und man ihn daher für geologisch tot und uninteressant hielt. "Lieber wäre mir ein Vorbeiflug an Ariel oder Oberon gewesen," sagte Laurence Soderblom, Chef des ISS Teams, "doch wegen der nahen Passage an Uranus war Miranda der einzige Mond den wir nah passieren konnten".

Doch dies lohnte sich Miranda zeigte sich als "Patchworkmond", der einmal in seine Einzelteile gesprengt sein muss, und über 20 km tiefe Schluchten verfügte. Mehr über Miranda in diesem Artikel. Im Jahre 2007 sollte die Rotationsachse in der Ekliptik liegen und eine Raumsonde nacheinander die Monde passieren können. Dies führte zum Vorschlag für einen Nachbau der New Horizons Sonde, die Uranus 2015 erreichen soll. New Horizons II entpuppte sich aber als zu teuer und so verstreicht diese Gelegenheit ungenützt.

Auch bei Uranus hat Voyager 2 weitere Monde entdeckt, über 10 sind es, und ab und zu wird noch ein neuer auf alten Voyager Aufnahmen entdeckt. Erst 2003 hat Hubble einen Mond wieder gefunden, den Voyager 2 vor 17 Jahren nur wenigen Bildern aufnahm, so dass man seine Bahn nicht genau kannte.

Die Ursache für die strukturlosen Uranus Fotos war eine dicke Dunstschicht, die Voyagers Bildsensoren nicht durchdringen konnten. Für Hubble, mit seiner größeren Infrarotempfindlichkeit war dies dagegen möglich. So gibt es heute von Hubble und erdgebundenen Teleskopen bessere Uranusaufnahmen als von Voyager.

Neptun - der krönende Abschluss

Vor dem Neptun Encounter wurde heiß diskutiert, über die genaue Route. Im Gegensatz zu allen anderen Planeten war klar, das Voyager bei Neptun nur einen Mond richtig fotografieren werden können würde: Triton, über den vor Voyager nur wenig bekannt war. 1980 wusste man noch nicht einmal seinen Durchmesser genau und schätzte ihn auf 6000 km. Damit wäre Triton der größte Mond im Sonnensystem gewesen. Den zweiten, damals bekannten Mond, Nereide konnte man nicht nah passieren, da er sich auf einer sehr exzentrischen Bahn weit von Neptun entfernte. Er war aber mit unter 500 km Größe auch deutlich kleiner. Mehr als diese beiden Monde kannte man vor dem Vorbeiflug nicht. Also wollte man Triton sehr nahe anfliegen. Dazu war es aber nötig nahe an Neptun heranzukommen, denn er Mond umläuft den Neptun in einer um 21 Grad zu Neptuns Äquator geneigten Bahn. Neptun alleine hat so viel Masse  um die Bahn der Sonde so zu verbiegen, dass sie sich Triton stark nähert. Jeden Kilometer, den man die Sonde näher an Neptun heranführt, verkürzt die Distanz bei Triton um 9 Kilometern.

Überhaupt gab es bei Neptun erstmals die Möglichkeit die Route frei zu wählen. Bislang musste Voyager 2 immer einen bestimmten Korridor einhalten, um zum nächsten Planeten zu kommen. Doch nach Neptun gab es kein weiteres Ziel. Also wurde heiß um die Route diskutiert. Die Atmosphärenforscher wollten eine Route, die viele Fotos des Planeten ermöglichen würde. Damit diese auch nach der Begegnung viel von Neptun zeigten, waren Sie für eine nahe Passage. Diese krümmt die Bahn stark und so ist der Planet nach dem Vorbeiflug nicht nur eine dünne Sichel. Die Magnetfeld und Teilchenforscher waren dagegen für eine weite Passage, da dadurch Voyager kaum beschleunigt wurde und länger in der Magnetosphäre blieb. Die Mondforscher wollten schließlich eine nahe Passage an Triton um mehr, und vor allem verwackelungsfreie Bilder zu schießen. Einige plädierten sogar dafür, die Sonde gezielt auf Neptun oder Triton zu lenken um in den letzten Minuten die besten Messergebnisse zu erhalten.

Die erste vorgeschlagene Route die allen Belangen genügen sollte, sah eine Passage von Nwptun in einem Abstand von 44.000 km über der Wolkenobergrenze vor. Diese wurde schon 1980 gewählt, als man noch keine Kenntnis von Neptuns Ringen hatte. Die hohe Distanz passte aber den Mondexperten nicht. Sie wollten eine Passage von Neptun in nur 1000 bis 1300 km Höhe, das hätte die Sonde auf 8.000 bis 20.000 km an Triton herangeführt. Im Herbst 1985 hatte man eine neue Passage ausgearbeitet, die bis zu 10.000 km an Triton heranführte. Schlussendlich siegten aber die gemäßigten. Grund war weniger die nahe Passage bei Neptun, als vielmehr, das man Ringe in der Region vermutete, die Voyager vorher hätte passieren müssen (73710 km vom Planetenzentrum entfernt). Sternbedeckungen im Jahre 1980 zeigten eine kurzzeitige Unterbrechung des Lichtes, die ein Mond oder ein Ringfragment verursachen konnte. Als man dann auch noch bei Beobachtungen bemerkte, dass es Diskrepanzen der beobachteten Position Tritons zu seiner berechneten gab, erarbeitete man eine Kompromissroute, die den Neptun in 4824 km Entfernung passierte und bis auf 38500 km an Triton heranführte. Diese "40K" Triton Route sollte die Sonde 5000 km außerhalb der Ringe vorbeiführen und man setzte die Chance, dass sie die Ringe unbeschädigt passierte zu 95 % an. Sie wurde als endgültige Route im Sommer 1986 festgelegt.

Für den Notfall wurde der Bordcomputer mit den Kurskorrekturdaten für die Manöver B19 und B20 gefüttert, die man im Notfall ausführen konnte, wenn die Beobachtungen zeigten, dass Voyager in eine gefährliche Region steuerte. Im November 1986 stand damit die Tourplanung für Voyager 2 fest.

Am 14.2.1987, auf halber Strecke zwischen Uranus und Neptun feuerten Voyagers Triebwerke 93.3 Minuten lang und brachten Sie auf einen Kurs zu Neptun. Sie änderten die Geschwindigkeit von 19698 auf 19715 m/s und den Ankunftszeitpunkt von 22:15 Westküstenzeit am 26.8.1986 auf 9:05 am 25.8.1989. Ende 1988 gab es noch eine zweite Feinkorrektur der Bahn. Am 11.11,1988 zündeten die Triebwerke für 3 Minuten 29 Sekunden, als sie noch 414.7 Millionen km von Neptun entfernt war. Dieses Manöver senkte die Vorbeiflugdistanz um 10000 km, so das die Sonde nur 5000 km über der Wolkenobergrenze Neptun passierte. Ein drittes Feinjustagermanöver fand am 20.4.1989 statt. Es senkte die Vorbeiflugdistanz auf 4850 km. Gleichzeitig erprobte man ein Rollmanöver, alleine mit den Gyroskopen. Diese Technik wollte man 4 Tage vor dem Vorbeiflug einsetzen. Daher erprobte man sie bei dieser Gelegenheit, als Voyager 2 noch 183 Millionen km von Neptun entfernt war. Die kleineren Kurskorrekturen sollten gewährleisten dass Voyager 2 den schmalen Korridor traf. Die Chance dass sie innerhalb eines 100 km breiten Korridors und innerhalb 1 Sekunde genau diesen erreicht, gab man zu 85 % an.

Bei Neptun kamen im Prinzip dieselben Techniken wie bei Uranus zum Einsatz. Für eine größere Datenrate baute man die 64 m des Deep Space Netzwerkes zu 70 m Antennen aus. Dies führte zusammen mit rauschärmeren, neuen Empfängern, zu einer Signalverstärkung um 1.9 dbi oder 55 %. Eine Maßnahme, die mit der Kopplung von 34 m Antennen noch eine Datenrate von 19.2 KBit/sec erlaubte. In Australien wurde die 64 m Radioastronomieantenne von Perkes zu den beiden Antennen in Canberra hinzu geschaltet und dies ergab dann eine Datenrate von 21.6 KBit/sec. Verband man diese Datenrate mit der schon bei Uranus eingesetzten 3 aus 8 Bit Übertragung der Daten, so war die Übertragungszeit pro Bild sogar noch geringer als bei Saturn.

Wenn die Sonde über Japan war, wurde die 64 m Antenne von Usuda zum Messung von Bedeckungsdaten, wenn die Sonde hinter den Ringen und Neptun verschwand, zu der Perkes Antenne hinzugenommen. Dies erlaubte es zum einen tiefer in die Neptunwolken hineinzuschauen, wenn diese das Signal abschwächten. Zum anderen wurde das Signal-Rauschverhältnis besser und man bekam bessere Daten über die Dichte, den Druck und Temperatur der Atmosphäre und der Feinstruktur von Neptuns Gravitationsfeld und damit dessen inneren Aufbau. Die kombinierten Daten erlaubten es die Änderungen der Frequenz auf 1/100 Hz zu bestimmen. Dies entsprach der Feststellung der Position auf 1 mm genau. Bei Goldstone nahm man die 27 m Antennen des Very Large Array (VLA) mit hinzu, um bessere Daten der Ringe zu bekommen.

Auf der Erde waren 130 Wissenschaftler beschäftigt, die Daten auszuwerten (oder besser gesagt vorzusichten) um Auffälligkeiten zu entdecken, die man genauer untersuchen musste. 45 Personen waren nur mit der Missionskontrolle, also dem Senden und Empfangen von Daten, von Kommandos, beschäftigt. Viel mehr, nämlich 70 Ingenieure, entwickelten die Computerprogramme und Messprogramme, überprüften die Telemetrie und den Gesundheitszustand der Sonde.

Das Nachführen der Kamera, jetzt bei noch größeren Belichtungszeiten, wurde perfektioniert. So wurde ein Bild an Bord vermessen, um die Belichtungszeit für das nächste zu gewinnen. Auch auf der Erde wurde getan, was nur möglich war, um die Mission zum Erfolg zu führen, so wurden die DSN Antennen über GPS synchronisiert um ja keine Daten der Sonde zu verlieren. Der Lohn der Mühe: Ein perfekter Vorbeiflug. Mit einer Präzision von 20 km erreichte Voyager 2 den nächsten Abstand von 4824 km, jede Abweichung um einen Kilometer bedeutet eine Abweichung von 7 km bei Triton. Dieser wurde in einem Abstand von 39800 km passiert, nicht jedoch ohne einige Dutzend Aufnahmen des Mondes zur Erde zu funken. Wie bei Saturn und Uranus entdeckte auch hier die Sonde wieder 6 neue Monde, die allesamt so nahe an dem Planeten waren, dass sie bei erdgebundenen Aufnahmen von ihm überstrahlt wurden.

Am 6.6.1989, 80 Tage 21 Stunden, 17 Minuten, 36 Sekunden vor der Neptunpassage wurde das Computerprogramm B901 im Bordcomputer von Voyager gestartet und es begannen die ersten, routinemäßigen Beobachtungen von Neptun. Die heiße Phase begann dann 2 Monate später am 6.8.1989. Die Instrumentenplattform dürfte nach den Problemen bei Saturn immer noch nicht im hohen Geschwindigkeitsmodus betrieben werden. 8 Einsätze mit mittlerer Rotationsrate von 0.33 Grad/Sekunde waren vorgesehen, ansonsten arbeitete sie im langsamen Betrieb (0.08 Grad/Sekunde).

Der Strom der RTG war bei Neptun auf 370 Watt gefallen, nochmals weniger als bei Uranus. Man erarbeitete einen Plan was alles betrieben werden dürfte, wobei man eine Toleranz von 12 Watt für unvorgesehenes und erhöhten Verbrauch einplante. Wie bei Uranus war der CCS programmiert den Stromverbrauch zu messen und bei erhöhtem Verbrauch bestimmte Geräte abzuschalten. Die Einschränkungen waren nun größer als bei Uranus. So schaltete man den S-Band Sender mit dem höheren Verbrauch ab.

Der Bandrekorder nahm eine nun noch zentralere Rolle ein, da er mehr Daten aufnehmen musste, um sie langsamer zurückzuspielen. Der DTR lief bei Neptun mit 3 Datenraten (115.2 KBit Speichern, 21.6 KBit/sec Lesen, 7.2 KBit Speichern/Lesen). Voyager 2 arbeitete seit 1978 mit dem defekten Reservesender. Eine Folge  war es dass man nur aus Sicherheitsgründen alle wichtigen Sequenzen 48 Stunden vor einem Ereignis übertrug um dem Receiver genügend Zeit zum Abkühlen zu geben. Ein Backup Programm im CCS wurde eingerichtet, das bei Ausfall der Verbindung automatisch ein reduziertes Messprogramm absolvierte.

Damit man möglichst alle Ressourcen auf Voyager 2 bündelt, konnte bekam die Schwestersonde Voyager 1 das Computerprogramm A818 übermittelt. Dieses lief von Anfang Juni 1989 bis Anfang Dezember 1989 und sorgte dafür, dass Voyager 1 während der kritischen Zeit keine Unterstützung vom Boden aus brauchte. Die genauen Ablaufsequenzen wurden von 1986-1989 erarbeitet. Vorarbeiten dafür gab es schon 1984-1985. Die letzten Änderungen wurden erst im April 1989 abgeschlossen. Da eine Reihe von Observationen stark abhängig von der genauen Bahn von Voyager waren, und man diese erst kannte, nachdem man sie vermessen hatte, erarbeitete man eine Technik namens LEU - Late Execution Unit. Die Computerprogramme wurden vom Boden aus angepasst nachdem der CCS sie schon in Bearbeitung hatte. Nach den Tests der Programme im letzten Vierteljahr 1988 und Anfang 1989 auf Voyager 1 gab es bei Voyager 2 Prüfungen im Mai 1989. Ziel war es nicht nur die Programme zu testen, sondern auch die Bodenmannschaften zu schulen und Praxis zu vermitteln.

Es gab zwei Programme für die Beobachtungsphase, drei für die Fernerkundungsphase und je zwei für die Naherkundungsphase und Post Encounterphase. Die Laufdauer liegt zwischen 50 und 3 Tagen für eine Sequenz. Das FDS A hatte nach Uranus ein nicht benutzbares Wort und im FDS B war ein kompletter 256 Wort Block ausgefallen. Beim PPS waren einige Filter ausgefallen, ansonsten war die Raumsonde (wenn man von den bekannten Problemen beim Empfänger und dem Azimut Antrieb absah) in einem besseren Zustand als beim Start, denn nun nutze man ihre Fähigkeiten viel besser als damals. Man verzichtete zum Beispiel auf die Redundanz von CCS und FDS, so dass man über mehr Computerleistung und Speicher verfügte. Bei Ausfall eines Computers hätte man innerhalb einiger Tage eine Ersatzsoftware, die nur auf einem Prozessor läuft, zur Sonde geschickt.

Andere Maßnahmen die man schon bei Uranus anwandte, wurden perfektioniert, wie die Drehung der Sonde nach der Bewegung von Neptun und Triton und die Möglichkeit Fotos viel länger zu belichten als vorgesehen indem man die Belichtungszeit in 15 Sekunden Intervalle aufteilte.

Am 18.3.1989 erlaubten es intensive Radioemissionen in einem engen Frequenzbereich die innere Rotationszeit Neptuns zu bestimmen. Dabei war Voyager 2 noch nicht einmal in die Beobachtungsphase eingetreten.

Anders als der Uranus war Neptun schon aus den ersten Probefotos aus großem Abstand auffällig: Ein Sturm war schon Im Januar 1989 deutlich sichtbar. Insgesamt war die Ausbeute an guten Bildern bei Neptun größer als bei Uranus, mehr als 9000 wurden zwischen dem 6.6 und 2.10.1989 gemacht. Die Sonde wurde mit 99 % ihrer Leistungsfähigkeit betrieben - und es hat alles geklappt! Schon am 7.7.1989 August konnte man auf den Bildern einen neuen Mond, zuerst 1989N1 genannt, später Proteus getauft, ausmachen. Er war groß genug und wurde früh genug entdeckt, dass man ihn noch in das Beobachtungsprogramm einbauen konnte, 9 weitere wurden später entdeckt, konnten jedoch im Beobachtungsprogramm nicht mehr berücksichtigt werden.

Auch die Ringe, die man nur vermutet hatte, wurden entdeckt. Auch wenn das Ring-Team um die (in der Ansicht der Kollegen) sinnlose Langzeitbelichtung der Region um Neptun kämpfen musste, so konnte man doch am 11.8.1989 Ringe und Ringteile entdecken, auch wenn diese sehr schwach waren, weitaus schwächer noch als die Ringe des Uranus. Dafür konnte man die Ringe schon beim Anflug erkennen und nicht wie bei Jupiter erst im Gegenlicht. Überraschenderweise wies Neptun ein viel schwächeres Magnetfeld als Uranus und Neptun auf. Erst am Tag des Vorbeiflugs wurde es entdeckt.

Nun ging alles sehr schnell. Voyager 2 näherte sich Neptun schneller als jedem anderen Planeten vorher und durch die nahe Passage wurde sie auch stark beschleunigt. Beim nächsten Punkt waren es 27,32 km/s. Triton umkreist den Planeten in fast derselben Entfernung wie unser Mond. Während eine Apollomission aber drei Tage zum Mond benötigt und Voyager beim Abflug von der Erde xx Stunden, erreichte sie Triton nach 4 Stunden 15 Minuten. So gab es nur wenig Zeit für die Aufnahmen, zumal vorher auch andere Beobachtungen anstehen. Alles was wir an Detailaufnahmen an Triton haben sind 55 Aufnahmen, davon acht mit der Weitwinkelkamera (weil zwischendurch es Messungen des Photopolarimeters gab, das nicht gleichzeitig mit der Telekamera arbeiten konnte.

Noch bizarrer als alle bisherigen Monde war Triton. Vorher wusste man nichts von ihm. Man kannte nur seine Helligkeit und Schätzungen über seine Größe beruhten auf der vermuteten Rückstrahlfähigkeit. In der Literatur des Autors vor dem Voyager Vorbeiflug wird ein Durchmesser im Bereich von 3200 bis 6000 km angegeben ! Die meisten schätzten die Größe auf 3800-5000 km ein. Doch bei den Aufnahmen von Voyager wurde der Mond immer kleiner, bis sich die Größe schließlich bei 2760 km stabilisierte. Triton ist wie Pluto mit einer hellen Oberfläche bedeckt und daher wesentlich kleiner als man vorher annahm. Doch wie sah Triton aus? Mond war weitgehend kraterlos. stattdessen gab es runzeliges Terrain, das an die Oberfläche von Melonen erinnerte und deutlich brauner zerklüftete Eisebenen mit seltsamen dunkeln Streifen. Bei späteren Auswertungen stieß man am 2.10.1989 auf aktive Geysire auf Triton. sie spuckten flüssigen Stickstoff aus, der bei -230 Grad gefror und als Stickstoffschnee abregnete. Die Radio Science Messungen ergaben bei der Passage des Mondes eine dünne Atmosphäre von 10-14 Mikrobar Bodendruck. Die Auswertung der Bilder ergab, dass die Oberfläche von Triton laufenden Veränderungen unterworfen ist und sehr jung ist. Die Messungen des Photopolarimeters ergab, dass sie sich auch von der Oberfläche von Proteus unterscheidet, welche aber der von Nereid ähnelt, obwohl dieser Pluto in 5.56 Millionen km Entfernung umläuft und Proteus in 117.000 km Entfernung.

Der Vorbeiflug am Nordpol von Neptun lenkte wie die Saturnbegegnung Voyager 1 die Sonde um und nun verlässt sie das Sonnensystem unter einem Winkel von 48 Grad. Die Geschwindigkeit ist geringer als bei Voyager 1 und liegt derzeit bei 15.8 km/s, da die Neptunpassage die Sonde abgebremst hat. Nachdem sie Pioneer 11 überholt hat sind nur noch Voyager 1 und Pioneer 10 weiter von der Sonne entfernt.

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

The Voyager Neptune Travel Guide

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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