Deutschlands Platz an der Sonne

BLOG: Go for Launch

Raumfahrt aus der Froschperspektive
Go for Launch

Im Jahre 1897 forderte Reichskanzler von Bülow für Deutschland einen Platz an der Sonne. Wie die folgenden Jahre zeigten, überforderte allerdings die Umsetzung die Politiker. Fast 80 Jahre später gelang es jedoch deutschen Ingenieuren, wenigstens eine deutsche Raumsonde der Sonne so nahe zu bringen wie keine andere Sonde zuvor … oder danach.

Eine kaum bekannte Randnotiz der Raumfahrtgeschichte ist, dass Deutschland in der Reihe der Nationen, die interplanetare Raumfahrt betrieben, die Bronzemedaille hält.

Die Goldmedaille gebührt den Sowjets, deren “Luna 1” bereits im Januar 1959, also nur 15 Monate nach Sputnik 1 und damit dem ersten Weltraumflug überhaupt, in eine Erdflucht eingeschossen wurde. Dies geschah allerdings ungewollt. Die erste interplanetare Mission der USA war Mariner 2 zur Venus. Danach gelangen diesen beiden Nationen viele weitere Missionen ständig steigender Komplexität, wobei die technische Überlegenheit der USA offenkundig war. Aber keine andere Nation traute sich in den interplanetaren Weltraum vor; die beiden Pioniere blieben ganz unter sich.

Ganz? Nein, nicht ganz … Auf Basis einer Übereinkunft auf dem Jahre 1966 zwischen Kanzler Erhard und Präsident Johnson wurde am 10. Dezember 1974 die in der Bundesrepublik Deutschland gebaute Sonde Helios 1 von einer amerikanischen Titan 3E mit Centaur-Oberstufe gestartet. DieMission war eine deutsch-amerikanische Kooperation, 70% der Kosten wurden von Deutschland getragen, die Amerikaner steuerten die Rakete und 30% der Instrumente bei.

Wie der Name nahe legt, sollte Helios 1, ebenso wie die 1976 gestartete Schwestersonde Helios 2 die Sonne untersuchen, insbesondere den Sonnenwind, das solare Magnetfeld und die Staubumgebung in unmittelbarer Nähe unseres Zentralgestirns. Dazu musste sie dicht an die Sonne heran, auf weniger als ein Drittel des Abstands, den die Erde von der Sonne hält.

Die Bahn der Sonde war eine hochexzentrische Ellipse, deren Aphel (sonnenfernster Punkt) die Erdbahn streifte, deren sonnennächster Punkt (Perihel) aber bei etwa 0.29 AE lag, also deutlich innerhalb der Merkurbahn. Die Umlaufperiode auf einer solchen Bahn ist nur ein gutes halbes Jahr; am Perihel wurde eine Geschwindigkeit von 70 km/s erreicht, mehr als doppelt so viel wie die Geschwindigkeit der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne.

Das Hauptproblem für diese Mission war die thermische Belastung. Bei 0.29 AE ist die Einstrahlung fast 12mal höher als auf der Erde, jeder Quadratmeter Oberfläche wird mit 16.5 Kilowatt beaufschlagt, wenn er senkrecht zur Sonnenrichtung steht. Es war wirklich kühn von der Herstellerfirma MBB, sich einer solche Herausforderung zu stellen. Immerhin hatte man bis dahin in Deutschland noch nicht einmal einen Erdsatelliten gebaut.

Die Form der Sonde glich einer außen mit Solarzellen und Spiegeln belegten Garnrolle, die schnell (60 Umdrehungen pro Minute) um eine Achse senkrecht zur Bahnebene rotierte. Dadurch erreichte man Folgendes:

  1. Kein Element der Oberfläche wurde senkrecht beschienen.
  2. Das von einem Element reflektierte Sonnenlicht konnte kein anderes treffen
  3. jedes Element huschte immer nur kurz an der Sonnenrichtung vorbei und “schaute” die meiste Zeit in kalte Himmelsregionen.
  4. Oben und unten saßen Radiatoren. Diese lagen permanent im Schatten und konnten deswegen überschüssige Wärme gut abstrahlen.

Dies ist ein probater Weg, mit dem Raumfahrtingenieure auch extreme thermische Verhältnisse in den Griff bekommen. Es gibt natürlich auch Nachteile.

Zum einen konnte keine Antenne mit hohem Gewinn und großer Reflektorschüssel konnte untergebracht werden; das Volumen der Datenübertragung war somit limitiert. Da die Sonde allerdings keine Kamera hatte und damit auch keine umfangreichen Bilddaten übertragen musste, konnte man mit dieser Einschränkung leben.

Zum anderen ist bei jeder spin-stabilisierten Sonde die Anordnung des Triebwerks problematisch. Größere Manöver zur Änderung der Lage oder gar der Bahn sind bei den Helios-Sonden praktisch unmöglich. Also musste die Sonde gleich von Anfang an direkt in die Zielbahn eingeschossen werden, spätere Bahnänderungen oder Swingby-Manöver waren ausgeschlossen. Dies erklärt, wieso eine so große Rakete wie die Titan für eine so kleine Raumsonde (370 kg Startmasse) eingesetzt wurde: Die gewaltige Erdfluchtgeschwindigkeit von 10 km/s war mehr als für einen direkten Transfer zum Jupiter gebraucht wird. Die Entfernungen im inneren Sonnensystem sind zwar nicht groß, aber in der Raumfahrttechnik zählt nicht die Entfernung, sondern die energetische Differenz, und da sind Missionen in die Region von Merkur vergleichbar mit solchen zum Jupiter.

Da die Helios-Sonden schon bei der Trennung von der Startrakete in der richtigen Bahn waren, reichte ein kleines Kaltgassystem für die Lagekorrektur und die Ingenieure konnten sich auf die Lösung der thermischen Probleme und die Maximierung der Nutzlast konzentrieren. Sie machten ihre Arbeit gut: Helios 1 hielt 11 Jahre und 20 Periheldurchgänge durch, Helios 2 fast 6 Jahre, ein beiden Fällen ein Vielfaches der geforderten Lebensdauer von 18 Monaten.

Ich kann mich noch erinnern, dass in meinem Studium der Raumfahrttechnik die Helios-Sonden als Musterbeispiele für verschiedene Fälle angeführt wurde:

  1. Die thermische Auslegung: Bei Helios war dies der hauptsächliche Treiber beim Sondenentwurf. Die ganze Mission wurde um die thermischen Anforderungen herum konstruiert – jede Menge Stoff für studentische Übungsaufgaben
  2. Die diversen Kompromisse (engl.: “trade-offs”), die in der Ingenieursarbeit gemacht wurden, insbesondere in der Wahl von Zielbahn und Startrakete

Damals, als ich meine Vorlesungen hörte, war Helios 1 noch aktiv und jeder in der Szene war mit Recht stolz auf diese Leistung. Heute dagegen sind die Missionen fast vergessen, völlig zu Unrecht, denn die Tatsache, dass Deutschland in den Folgejahren noch bei anderen Pionierleistungen federführend beteiligt war, ist direkt auf die beim Helios-Projekt gewonnenen Erfahrungen zurückzuführen.

Hier ist beispielsweise der Nachrichtensatellit Symphonie zu nennen, von denen der erste 1974 gestartet wurde. Symphonie war der weltweit erste geostationäre Satellit mit der heute fast ausschließlich üblichen Dreiachsenstabilisierung, also ein wirklicher technischer Durchbruch von weit reichender wirtschaftlicher, aber auch politischer Bedeutung. Symphonie war ein gemeinsames Hochtechnologieprojekt der Bundesrepublik Deutschland und Frankreichs, der erste Schritt zur Eigenständigkeit des europäischen Kontinents. Die USA versuchten, dies zu verhindern, indem sie als Bedingung für den Start der Satelliten auf einer US-Rakete forderten, dass die Satelliten nicht kommerziell eingesetzt werden durften, woraufhin die Europäer die Entwicklung der Ariane-Rakete initiierten, um von den USA unabhängig zu werden: Auch dies eine europäische Erfolgsgeschichte.

Deutschland, bleib’ bei deinen Leisten: Wenn wir in den Sechzigern und Siebzigern Pionierarbeit leisten konnten, dann können wir das heute auch. Der nächste Schritt sollte sein: Ein europäischer Mondlander unter deutscher Systemführerschaft.

Weitere Information

Webseite des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zum Projekt Helios

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten Meinungen sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

5 Kommentare

  1. Dem kann ich nur unbedingt zustimmen. Ein bisschen “Retro” in die sechziger und siebziger Jahre täte auch der heutigen nationalen Raumfahrt gut und nicht nur der Mode. Damals hat man Missionen dieser Art unternommen, weil sie schwierig und herausfordernd waren. Heute lässt man sie aus genau den gleichen Gründen lieber sein.

    Die “Leuchtturmfunktion” einer anspruchsvollen und öffentlichkeitswirksamen Raumfahrtmission kann für eine exportorientierte Wirtschaft wie der unseren gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Frankreich hat es in den letzten Jahrzehnten geschickt verstanden, in der europäischen Luft- und Raumfahrt die Führungsrolle zu übernehmen. Selbst in einem Fachmagazin wie der Aviation Week wird heute ein ums andere Male die Ariane als französische Trägerrakete bezeichnet und der Airbus als französisches Flugzeug. Mit solchen “nationalen” Symbolen lassen sich dann in China auch gut TGV’s verkaufen. Deutschland zahlt an diesen Projekten fast genauso viel, hält sich dann aber stets verschämt im Hintergrund und scheint mit der Juniorpartner-Rolle zufrieden.

    Die “Leuchtturmfunktion” ist auch für Schüler notwendig, die auf der Suche nach einem Berufsziel sind. Ständig wird in diesem Land beklagt, dass zu wenige junge Menschen technische Berufe ergreifen oder Ingenieurswissenschaften studieren. Herausragende und spannende Projekte mit überdurchschnittlichem Missionsrisiko wie ein europäisches Mondlandeprogramm unter deutscher Führung könnten dazu beitragen, dass sich Jugendliche wieder mehr für Technik begeistern.

  2. @Astra

    Ja, es stimmt, dass uns da etwas verlorengegangen ist. Wir sind nicht mehr bereit, zu akzeptieren, dass es technologischen Fortschritt nicht für lau gibt, sondern dass er Anstrengung verlangt.

    Die Kosten des Helios-Projekts beliefen sich auf 260 Millionen Dollar. Das war viel Geld in der damaligen Zeit, etwa 1% der Gesamtkosten des Apollo-Programms. Umgerechnet in DM zum Zetpunkt des Anstoßes des Projekts kommt ein Betrag von 1 Milliarde zusammen. Wenn man dann auch noch die Kaufkraftunterschiede zwischen damals und heute berücksichtigt, kommt man auf fast 2 Milliarden heutige Euro, eine schoene Summe, aber durchaus plausibel, wenn man nedenkt, dass damit ja quasi aus dem Nichts in Deutschland eine konkurrenzfähige Raumfahrtindustrie aufgebaut wurde.

    2 Milliarden – heute bilden sich in Europa nicht wenige ein, der erste europäische Mars-Rover dürfte nicht die Hälfte kosten.

    Wie kommen diese Menschen darauf? Technologie der Spitzenklasse kostet Geld. Wenn man nicht bereit ist, Geld hinzulegen, dann kriegt man eben nur Zweitklassiges.

  3. Khan möchte also mit seinem Blog in die Chronologs ziehen, sehr interessant. 😉

    Das finde ich sehr erstaunlich wie mit so wenig Erfahrungswerten direkt so eine überzeugende Sonde konstruiert wurde. Kann dieses Wissen auch in anderen Feldern angewendet werden? Ich weiß von einem ehemaligen Porscheingenieur, der Windkraftanlagen konstruierte. Da beim Porsche alles leicht, eng und leistungsfähig sein soll, hat er die effektiveren Windkraftanlagen konstruiert.

    Zur Politik: Es gibt da Pioniere, Regierungen, die etwas anpacken und die Verwalter, die von den Reformen der Vorgänger leben. Momentan haben wir wieder Verwalter am Steuer. Würde mich sehr wundern, wenn die mal was Neues probieren.

  4. Erfolg im Weltraum beweist klares Denken

    Helios beweist, dass ein ambitioniertes Ziel erreicht werden kann ohne dass eine Riesenorganisation wie die NASA dahinterstehen muss. Es braucht ein klares Ziel, klare Gedanken, Mut, Zähigkeit und man muss sogar solch profane Dinge beachten wie ein vorgegebenes Budget.
    Einen europäischer Mondlander mit einem kleinen Budget und einem klaren einfachen Ziel in einem halben Jahrzehnt realisieren – das wär doch was.

  5. @Martin Holzherr

    Fairerweise muss man schon unterstreichen, dass die NASA bei dieser Unternehmung Pate stand und auch maßgeblich am Erfolg beteiligt war. Nur weil die so eine große Rakete beitrugen, konnte man tatsächlich der Sonne so nahe kommen.

    Dennoch, auch wenn hier noch die Hebamme aus Amerika kam – die deutschen Ingenieure haben offensichtlich gut gearbeitet und viel gelernt. Beim Projekt Symphonie hatten schon die Europäer die Nase vorn.

    Ein Mondlander unter deutscher Führung, das wär’s wirklich.

    Was allerdings das “kleine Budget” angeht, teile ich ich Ihre Ansicht nicht. Helios hatte kein kleines Budget. Im Gegenteil, die Mission waren hoch. (siehe meine Antwort vom 1.3.2010, da habe ich es vorgerechnet).

    Wenn man schnell von Null auf Hundert kommen will, dann muss man dazu seine Leute ausbilden und das geht nicht für lau. Das wird bei einer Mondmission nicht anders sein. Ohne Entwicklen, Testen, Versuchen und Aendern láuft das nicht.

    Das Bedeutende an der Mission Helios war, das dies damals noch verstanden wurde.

    Helios war deswegen ein Erfolg, weil man gleich von vorneherein ein ausreichendes Budget vorgesehen hatte und nicht Jahre mit dem vergeblichen Versuch verschwendet hat, etwas Großes zu leisten, ohne ausreichend zu investieren.

    Heute scheint man genau das leider anders zu sehen.

Schreibe einen Kommentar