Airbus Defence and Space

Ulysses – dienstälteste Raumsonde geht in Ruhestand

Friedrichshafen, 11. Juni - Mehr als 17 Jahre lang hat die europäische Raumsonde Ulysses die Sonne und ihren Einfluss auf die Erde erkundet. Als erstes Raumschiff überhaupt hat sie die beiden Pole unseres Tagesgestirns überflogen.

Ulysses bildet somit einen Meilenstein in der Erforschung unseres Tagesgestirns und dessen Einfluss auf die Erde. Ihre nominelle Betriebsdauer von fünf Jahren hat sie weit überschritten. Jetzt geht die Energieversorgung an Bord geht zur Neige. Die Sonde lässt sich nicht mehr heizen, und der Treibstoff Hydrazin für das Lageregelungssystem friert ein. Damit endet diese überaus erfolgreiche Mission. Stolz auf die Zuverlässigkeit von Ulysses sind die Ingenieure und Techniker von Airbus Defence and Space, unter dessen Leitung die Sonde im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation ESA entstanden ist.

 

Technologisches Meisterstück von Airbus Defence and Space seit 17 Jahren im All

In der dritten Dimension um die Sonne geflogen

Sonnensonde fängt Sternenstaub ein

 

Marathonmission mit Startschwierigkeiten

Die Sonne ist kein so ruhiges Gestirn, wie es uns am Himmel erscheint. Es kommt zu Strahlungs- und Teilchenausbrüchen, die dunklen Sonnenflecken zeugen von einem elfjährigen Aktivitätszyklus, und ständig weht ein Teilchenwind in den Weltraum, der auch auf die Erde trifft. All diese Phänomene haben eine gemeinsame Ursache: ein Magnetfeld. Von der Erde aus gesehen lässt sich dies mittlerweile gut beobachten, nur der Blick auf die Pole bleibt von dieser Position aus versperrt. Diese Region ist aber besonders interessant, weil dort die Magnetfeldlinien des Dipolfeldes aus dem Sonnenkörper aus- beziehungsweise eintreten.

Aus diesen Gründen kam schon früh der Wunsch auf, eine Sonde über die Sonnenpole zu schicken. Konkreter wurde das Projekt 1977, als die Weltraumbehörden der USA und Europas, NASA und ESA, beschlossen, zwei Sonden zu bauen. Sie sollten gleichzeitig jeweils den Süd- und Nordpol überfliegen. Budgetkürzungen zwangen die NASA jedoch, sich aus dem Projekt zurückzuziehen. So beschloss die ESA, allein eine Sonde zu bauen, der sie den englischen Namen des mythischen Seefahrers Odysseus, Ulysses, gab.

Den Zuschlag als Hauptauftragnehmer erhielt die Airbus Defence and Space GmbH (Friedrichshafen). Das Unternehmen war für das gesamte Management, die Integrationstests sowie die Start- und Missionsbegleitung verantwortlich. Darüber hinaus baute es unter anderem das Antriebsmodul, die Lageregelung und sogenannte Nutationsdämpfer, die ein mögliches Trudeln der Sonde verhindern.

Airbus Defence and Space lieferte Ende 1983 das komplette Raumschiff ab. Doch dann wurde der Start wegen Problemen im Entwicklungsprogramm des Space Shuttle auf 1986 verschoben. Wenige Monate vor dem geplanten Start explodierte dann die Raumfähre Challenger kurz nach dem Start. Dieses Unglück unterbrach das amerikanische Raumfahrtprogramm, und Ulysses musste weitere vier Jahre auf seinen Start warten. Erst am 6. Oktober 1990, sieben Jahre nach der Fertigstellung, gelangte die Sonde mit dem Spaceshuttle Discovery ins All.

Obwohl die Technik der Sonde mittlerweile gut 25 Jahre alt ist, arbeitet diese noch heute fehlerfrei, und sie würde es vermutlich noch viele Jahre tun. Doch das Ende der Energieversorgung durch den thermoelektrischen Radioisotopengenerator (Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG) setzt der Mission ein „natürliches“ Ende.


Schleuderwurf in die dritte Dimension und drei Sonnenumrundungen

Nachdem Ulysses die Ladebucht des Shuttle verlassen hatte, zündete ein Raketenmotor und brachte die Sonde auf die höchste Geschwindigkeit, die je ein von Menschen gebautes Raumschiff erzielt hat. Dennoch reichte diese nicht aus, um Ulysses aus der Umlaufbahnebene der Erde herauszukatapultieren und auf eine Bahn über die Sonnenpole zu bringen. Hierzu bedurfte es eines Tricks. Zunächst flog die Sonde von der Sonne weg zum äußeren Planeten Jupiter. 1992 überquerte sie dessen Nordpol und wurde in dem starken Gravitationsfeld senkrecht aus der Planetenbahnebene herausgeschleudert. Nach diesem Swing-by-Manöver flog die Sonde zurück und erreichte im Sommer 1994 die Sonne. In 300 Millionen Kilometer Abstand passierte sie zunächst den Südpol und flog dann in einem weiten Bogen zum Nordpol, den sie Mitte 1995 passierte.

Da Messgeräte und Sonde perfekt funktionierten verlängerte die ESA Mission. Auf ihrem weiteren Weg entfernte sich die Sonde wieder von der Sonne und flog bis zur Jupiterbahn zurück. Dort kehrte sie erneut um und erreichte im Herbst 2000 zum zweiten Mal den Sonnensüdpol, umrundete die Sonne und überflog den Nordpol im Herbst 2001. Schließlich erfolgte eine dritte Passage des Südpols im Winter 2006/2007 und ein Jahr später des Nordpols.


Hohe technische Anforderungen

Ulysses besteht im Wesentlichen aus zwei großen Einheiten: der Instrumentenplattform und der Antenne. Die Plattform ist etwa quadratisch mit einer Seitenlänge von 3,2 Metern und einer Höhe von 2,1 Metern. An Bord befinden sich neun wissenschaftliche Instrumente, die die Teilchen des Sonnenwindes sowie elektrische und magnetische Felder messen. Zwei Geräte entstanden unter deutscher Leitung in den Max-Planck-Instituten für Sonnensystemforschung in Katlenburg/Lindau und für Kernphysik in Heidelberg. Das gesamte Raumschiff wiegt 367 Kilogramm, wovon die Instrumente lediglich 55 Kilogramm beanspruchen.

Airbus Defence and Space war für das gesamte Design verantwortlich, das einige Besonderheiten aufwies. So mussten die sehr empfindlichen Messinstrumente so angebracht werden, dass sie sich nicht gegenseitig stören. Dies erforderte es, dass zwei Magnetometer, Sensor für Plasmawellen sowie Messinstrumente für Röntgen- und Gammastrahlen-Ausbrüche an einem 5,5 Meter langen Arm befestigt wurden. Zudem hatten sich im Weltraum eine 72,5 Meter lange Dipolantenne und eine 7,5 Meter lange Monopolantenne entfaltet, mit denen sich Plasmawellen messen ließen.

Diese Antennen bewirkten ein leichte Unwucht der Sonde, die sie während des Fluges zum Trudeln bringen konnten. Dies musste unterbunden werden, da die Antenne für die Datenübertragung stets bis auf mindestens 0,2 Grad genau in Richtung Erde weisen musste. Für die einwandfreie Ausrichtung sorgte ein von Astrum entwickelter Nutationsdämpfer, der rein mechanisch und ohne Treibstoff funktionierte.

Hohe Anforderungen an die Technik der Sonde stellte auch die ungewöhnliche Bahn. Ulysses bewegte sich auf einer langgestreckten Ellipse, umrundete dabei die Sonne und flog dann bis zur Jupiterbahn. Dabei schwankt ihr Abstand zur Erde zwischen etwa 50 und 900 Millionen Kilometer. Das entspricht der 0,3- bis 6-fachen Entfernung Erde-Sonne. Die Signale zwischen ihr und der Erde waren bis zu 50 Minuten lang unterwegs. Es war deshalb unumgänglich, dass Ulysses weitgehend autonom arbeiten konnte. Das heißt der Bordcomputer musste selbst entscheiden, wann und in welcher Weise er beispielsweise die Nutationsdämpfer betätigen musste. Auch beim Swing-by-Manöver war Ulysses auf sich selbst gestellt. Er war zudem in der Lage, eigenständig den Kontakt zur Erde zu suchen, wenn er von dort keine Signale mehr empfangen sollte.

Als Folge der erheblichen Abstandsschwankungen zur Sonne traten an Bord große Temperaturschwankungen auf. Die Sonde musste deshalb in Sonnennähe gekühlt und in großer Entfernung geheizt werden. Dies betraf insbesondere die Treibstoffleitungen, in denen die Temperatur nicht unter zwei Grad Celsius sinken darf, da sonst das Hydrazin einfriert. Dies gewährleistete der RTG, den die amerikanischen Partner beigesteuert haben. Er beinhaltet radioaktives Material, das beim Zerfall Wärme erzeugt. Diese wird zum einen direkt in Strom für die Instrumente umgewandelt, zum anderen dient sie aber auch zum Heizen. Solarzellen kamen nicht in Frage, weil diese in 900 Millionen Kilometer Entfernung von der Sonne nicht genug Strom liefern. Die anfangs vom RTG gelieferte elektrische Leistung von 285 Watt ist mittlerweile unter 200 W abgesunken, was für eine ausreichende Heizung der Sonde, die gerade den Sonnennordpol überquert hat und sich wieder auf dem Weg zur Jupiterbahn befindet, nicht mehr ausreicht.


Daten eines Lebenszyklus

Ulysses erforschte das Magnetfeld und den Teilchenwind der Sonne erstmals aus allen Raumrichtungen, was von der Erde aus nicht möglich ist. Die Messdaten bilden die Grundlage für das erste dreidimensionale Bild der Sonnenumgebung, das die Sichtweise der Wissenschaftler über die Sonne und den umgebenden Raum veränderte.

Ulysses’ unerwartet lange Lebensdauer ermöglichte es zudem, die Aktivität der Sonne über fast zwei Aktivitätszyklen hinweg zu beobachten. Die Sonnenaktivität schwankt zyklisch mit einer Periode von etwa elf Jahren. Im Minimum ist sie ruhig, und es bilden sich nur wenige Flecken. Im Maximum aber entstehen sehr viele und große Sonnenflecken, und es kommt häufiger zu explosiven Ausbrüchen, bei denen Teilchen mit extrem hoher Geschwindigkeit ausgestoßen werden. Innerhalb von ein bis zwei Tagen kann ein solcher Partikelsturm auf das Erdmagnetfeld treffen und auf unserem Planeten im Extremfall zu landesweiten Stromausfällen und der Störung des Funkkontaktes zwischen Flugzeugen und Schiffen führen.

Mit Ulysses ließen sich nun diese Phänomene von einem Minimum zum Maximum und wieder zum Minimum verfolgen. Dabei verfolgten die Wissenschaftler, wie sich der Zustand der Sonne veränderte und im Laufe eines Zyklus sich das Magnetfeld umpolte. Dieser Prozess zog sich über mehrere Monate hin, wie Ulysses feststellte.

Aus dem gesammelten Datenschatz werden die Wissenschaftler noch viele Jahre lang schöpfen können. Hier einige ausgewählte wissenschaftliche Highlights:

Beim ersten Anflug auf die Sonne stellten die Forscher fest, dass die Geschwindigkeit des Sonnenwindes zunahm, je höher Ulysses über die Erdbahnebene aufstieg. Während die Instrumente im Bereich des Sonnenäquators geringe Teilchengeschwindigkeiten um 400 km/s registrierten, stiegen diese bis auf 800 km/s nahe den Polen an.

Bei den ersten beiden Polüberquerungen verblüffte Ulysses die Experten. Sie hatten erwartet, dass das Magnetfeld die Form eines Dipols aufweist, ähnlich wie bei der Erde. Dann wären die Feldlinien an den Polen, wo sie aus der Oberfläche aus- bzw. in sie eintreten, enger gebündelt als in geringen Breiten. Tatsächlich fand Ulysses ein nahezu gleichförmiges Feld vor. Die Wissenschaftler sehen als Ursache die Wirkung des Teilchenwindes, der das Magnetfeld verbiegt.

Ulysses brachte jedoch nicht nur die Sonnenforschung einen großen Schritt voran, sondern konnte auch eine Reihe anderer Entdeckungen verbuchen. So gelang es erstmals, Staubteilchen nachzuweisen, die aus dem interstellaren Raum, also von fernen Sternen, zu uns kommen und in unser Sonnensystem eindringen. Nie zuvor war es möglich gewesen, Sternenstaub aufzufangen.

Ulysses ist auch ein Beispiel dafür, wie man mit einem Experiment der Grundlagenforschung auf ein Phänomen stoßen kann, an das zuvor niemand gedacht hatte. Am 1. Mai 1996 registrierte ein Instrument der Sonde überraschend über mehrere Stunden hinweg einen Strom elektrisch geladener Teilchen. Eine genaue Analyse ergab, dass dieser offenbar von einem Kometen stammte. Die Quelle war der Komet Hyakutake, durch dessen Schweif Ulysses hindurchgeflogen war. Der musste nahezu 500 Millionen Kilometer, entsprechend der 3,5-fachen Entfernung Erde-Sonne, lang gewesen sein. Es ist damit der längste bekannte Kometenschweif.


Sonnenforschung mit Airbus Defence and Space

Airbus Defence and Space (Friedrichshafen) ist seit Jahrzehnten an der europäischen extraterrestrischen Sonnenforschung beteiligt. Schon in den 1960er Jahren baute das Unternehmen die beiden Heos-Sonden der damaligen europäischen Weltraumbehörde ESRO. Es folgten die deutschen Satelliten Azur und Aeros sowie die beiden deutsch-amerikanischen Sonden Helios 1 und 2. Diese umkreisten die Sonne in etwa einem Drittel des Erdabstandes und lieferten von 1974 bis 1986 wertvolle Messdaten. Airbus Defence and Space (Toulouse) ist außerdem der Hauptauftragnehmer für das Sonnensobservatorium SOHO, das im Dezember 1995 gestartet wurde.

In jüngerer Vergangenheit war die Friedrichshafener Federführung beim Bau der vier Cluster-Satelliten der ESA herausragend. Das Quartett umkreist die Erde und untersucht die Wirkung des Sonnenwindes auf das Erdmagnetfeld. Die nächste große Sonnenmission der ESA, der Solar Orbiter, wird voraussichtlich 2015 starten. Mit seiner großen Erfahrung wäre Airbus Defence and Space für den Bau dieser Raumsonde bestens gerüstet.


Polpassagen von Ulysses

Südpol Juli 1994 - Oktober 1994, September 2000 - Januar 2001, November 2006 - April 2007

Nordpol Juni 1995 - September 1995, September 2001 - Dezember 2001 November 2007 - März 2008


Über Airbus Defence and Space

Airbus Defence and Space, eine 100-prozentige Tochtergesellschaft der AIRBUS Group, ist spezialisiert auf zivile und militärische Raumfahrtsysteme. Im Jahr 2007 erreichte Airbus Defence and Space einen Umsatz von 3,5 Milliarden € und beschäftigte rund 12.000 Mitarbeiter in Frankreich, Deutschland, Großbritannien, Spanien und den Niederlanden. Das Kerngeschäft gliedert sich in drei Bereiche: Airbus Defence and Space für Trägerraketen und Weltraum-Infrastrukturen, Airbus Defence and Space für Satelliten und Bodensegmente sowie die 100-prozentige Tochter Airbus Defence and Space für die Entwicklung und Lieferung satellitenbasierter Dienstleistungen.

AIRBUS Group ist ein global führender Anbieter in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsgeschäft und den dazugehörigen Dienstleistungen. Im Jahr 2007 lag der Umsatz bei rund 39,1 Milliarden €, die Zahl der Mitarbeiter bei mehr als 116.000.

 

Pressekontakt :

Mathias Pikelj Tel.: +49 (0) 7545 8 9123

 

SonnensystemWissenschaft