Das Ende einer Odyssee

BLOG: Go for Launch

Raumfahrt aus der Froschperspektive
Go for Launch

Neulich erhielt ich einen Anruf von einem Kollegen, der im Kontrollteam der Mission “Ulysses” arbeitet. Er erzählte mir, dass die Raumsonde eine wesentliche Funktion eingestellt hatte und die Mission wohl verloren sei.   

Nachdem er aufgelegt hatte, saß ich noch lange da und dachte zurück. Ulysses ist für mich nicht irgendeine Raumsonde. Es ist die erste Mission, an der ich – damals noch am Anfang meines Berufslebens – schon seit den Startvorbereitungen beteiligt war, und deswegen etwas ganz Besonderes, zumindest für mich. Es war eine Mission von hohem wissenschaftlichem Wert, die in vielerlei Hinsicht Neuland betrat.

Es war aber auch eine Mission, die von der Öffentlichkeit kaum wahrgenommen wurde. Dies lag wahrscheinlich teils daran, dass die kleine Raumsonde (Startmasse 360 kg) keine Kamera an Bord hatte. Ohne Bildmaterial ist ist das Interesse der Allgemeinheit nach aller Erfahrung deutlich reduziert. Ferner ist nicht von der Hand zu weisen, dass alle gewonnenen Ergebnisse, so fundamental sie auch sein mögen, stark erklärungsbedürftig und nicht unmittelbar eingängig sind.

(Wie immer führt das Klicken auf die Bilder zu vergrößerten Versionen oder weiteren Informationen)

Ulysses im solaren Magnetfeld, Quelle: ESA Ulysses sollte in erster Linie die Umgebung der Sonne untersuchen, ihr Magnetfeld und die ausgestoßenen Partikelströme. Ganz außergewöhnlich ist die Bahn der Sonde, diese steht nämlich fast senkrecht zur Ekliptik und in ähnlich großem Winkel zum Sonnenäquator. Keine Rakete der Welt hätte selbst eine so kleine Raumsonde in eine solche Bahn einschießen können.

Die Bahn von Ulysses im Sonnensystem, Quelle: ESA Es mag paradox erscheinen, aber der einzige Weg, diese Bahn zu erreichen, war, erst einmal weit von der Sonne wegzufliegen, bis zum Jupiter, und dort in einem Swingbymanöver, unter Ausnutzung des gewaltigen Gravitationspotenzials des Riesenplaneten und seiner Eigenbewegung um die Sonne, eine 90-Grad-Kehre zu vollführen, von “weg von der Sonne” zu “senkrecht zur Ekliptik”, und zwar Richtung Süden, also nach “unten”.

Eigentlich war vorgesehen, zwei Sonden im Rahmen der “International Solar Polar Mission” ISPM zu starten. Die zweite hätte am Jupiter ein ähnliches Manöver vollführt, sie hätte sich allerdings nach Norden, also “oben”, aus der Ekliptik schleudern lassen. Diese zweite Mission fiel allerdings Budgetkürzungen zum Opfer, so blieb nur die Südsonde übrig, sie wurde “Ulysses” benannt, nach der englischen Bezeichung des Helden der Epen “Ilias” und “Odyssee” von Homer, den wir als “Odysseus” kennen.

Keine schlechte Wahl, sollte doch Ulysses Gegenden erforschen, die vorher noch kein Menschenwerk durchquert hatte. Dort wurden Messungen gemacht, die unser Verständnis der Sonne revolutionierten. Dies ist sehr wichtiges Wissen, denn wir hängen auf Gedeih und Verderb von unserem Zentralgestirn ab, da sollten wir es so gut wie möglich kennen und verstehen.

Ulysses im Cleanroom, Quelle: ESA Ulysses ist in europäisch- amerikanischer Koproduktion entstanden, die Raumsonde wurde in Europa entwickelt und gebaut (Endmontage bei Dornier in Friedrichshafen) und von der NASA gestartet, und zwar auf dem Space Shuttle (Flug STS 41, Orbiter “Discovery”). Eigentlich sollte der Start bereits im Jahr 1986 erfolgen. Am 28. Januar 1986 ereignete sich jedoch die Challenger-Katastrophe, deswegen wurde der Start auf den 6. Oktober 1990 verschoben. Es gibt alle 13 Monate ein Startfenster zum Jupiter, sodass die Verschiebung der Mission nicht allzu problematisch war. Die Kontrolle erfolgt vom JPL in Pasadena aus, dem Team gehören Amerikaner und Europäer an.

Eigentlich sollte die Mission nur 5 Jahre dauern. Nach dem Transfer zum Jupiter sollte zunächst die Südpolar- und dann die Nordpolarregion der Sonne überflogen werden. Danach sollte Schluss sein. Die Sonde war allerdings nach den ersten fünf Jahren noch in Topform, daher entschloss man sich, weitere 6 Jahre dranzuhängen, solange dauert es nämlich, bis die Sonde zum zweiten Mal die Süd- und Norpolarregion erreicht haben würde, und zwar deswegen, weil aufgrund der erreichten Bahn immer ein Ausflug bis hin zur Jupiterbahn durchgeführt werden musste – daran konnte man nichts ändern.

Man verlängerte die Mission später nochmals, mittlerweile ist sie seit über 17 Jahren unterwegs.

Wie fast immer, so hat auch hier das Ende der Sonde mit der Energieversorgung zu tun. Ulysses hat keine Solargeneratoren, sondern einen “Radioisotope Thermoelectric Generator“, in dem ein Kern aus Plutonium 238 Zerfallswärme erzeugt, die mittels Thermoelementen in Strom umgewandelt werden. Keine besonders effiziente Art der Energieversorgung: der RTG hat eine Masse von 60 kg und liefert anfangs 300 Watt Strom, später immer weniger, weil mit dem fortschreitenden Zerfall des Plutoniums immer weniger Wärme geliefert wird. Allerdings ist die Stromabgabe kontinuierlich, unabhängig vom Sonnenabstand, und bedarf keiner beweglichen Teile: ein großer Vorteil für eine Raumsonde.

Bei Ulysses war man nun am Ende gezwungen, den Haupttransmitter abzuschalten, damit genügend Strom für die Beheizung des Hydrazintreibstoffs verblieb. Als man den Transmitter wieder einschalten wollte, reagierte er nicht … weitere Versuche blieben ebenso fruchtlos. Ohne diesen Transmitter, der auf die Hauptantenne geschaltet ist, kann man jedoch kaum noch Daten übertragen. Der Wert der Sonde geht gegen Null – der weitere Betrieb bringt nichts mehr ein und kostet nur noch Geld.

Wer mehr über Ulysses wissen möchte, findet am Ende des Artikels eine Liste von Links.

Trotz des großen Erfolgs der Mission begann sie nicht ohne Schluckauf. Ich saß während des Starts mit im Kontrollraum und erinnere mich gut an die lehrreichen Tage, die uns die Sonde bereitete.

Ulysses auf IUS+PAM vor Space Shuttle, Quelle: ESA Zunächst einmal funktionierte die dreistufige Feststoffrakete, die mit dem Shuttle im niedrigen Erdorbit ausgesetzt wurde und an deren Spitze Ulysses saß, nicht richtig, sodass die Zielposition bezüglich Jupiter um über eine Million km verfehlt worden. Anstatt, wie geplant “vorne und oberhalb” an Gasriesen vorbeizufliegen, hätte Ulysses ihn “hinten und unterhalb” passiert. Dann aber hätte die Schwerkraft des Planeten die Raumsonde aus dem Sonnensystem herausgekickt, ähnlich wie die Voyager- oder Pioneer-Sonden.

Ansicht entlang der Symmetrieachse mit Hauptantenne, Quelle: ESA Das konnte man natürlich nicht zulassen, man wollte ja die Sonne untersuchen und nicht die Heliopause. Zum Glück hatte Ulysses ausreichend Treibstoff an Bord, um den Bahnfehler auszugleichen. Dabei wurde allerdings die Geduld des Kontrollteams auf eine harte Probe gestellt. Die Sonde ist nämlich spin-stabilisiert, sie dreht sich pro Minute 5 Mal um die eigene Achse und stabilisiert dadurch ihre Lage im Raum, so wie ein Kreisel. Die an der Außenwand angeordneten Triebwerke können dann aber nicht kontinuierlich gezündet werden, sondern während einer Umdrehung jeweils nur ganz kurz, wenn sie gerade in die richtige Richtung zeigen.

Ulysses im Flug, alles ausgefahren, Quelle: ESA Alle 12 Sekunden machte ein Triebwerk somit kurz “Pfft”, deswegen dauerte das erforderliche Manöver viele, viele endlose Stunden. Stellen Sie sich das so vor:  “Gar nichts passiert … Pfft … gar nichts passiert … Pfft … gar nichts passiert … Pfft …” usw. ad infinitum.

Nun ja, auch dies nahm ein Ende. Wir wussten noch nicht, dass sich die Sonde noch eine Überraschung für uns aufgespart hatte. Ulysses sollte Magnetfeldmessungen vornehmen und dazu lange Metallantennen benutzen, die während des Starts zusammengerollt waren und erst auf dem Weg zum Jupiter ausgefahren wurden. Die radialen Antennen waren nur lange Drähte mit einer Endmasse. Die Fliehkraft der rotierenden Sonde sorgte für das Ausfahren – da konnte nicht viel falsch gehen.

Komplizierter war jedoch der axiale Ausleger. Dieser bestand aus zwei dünnen Blechen, die in Längsrichtung ausgerollt und dann an den Rändern zusammengepresst und zur Mitte hin zusammengedrückt werden sollten. Die dadurch entstehende Ausbeulung in der Mitte sollte diesen dünnen axialen Ausleger biegesteif machen.

Ansicht des axialen Auslegers, Quelle: ESA Am Tag nach dem Ausfahren erfuhr das Team eine böse Überraschung. Ulysses sollte eigentlich so ausgerichtet sein, dass die Rotationsachse und damit die Hauptantenne immer zur Erde ausgerichtet blieb. Man stellte jedoch fest, dass die Sonde eine Nutation aufzubauen begann. Die Symmetrieachse eierte auf einer komplexen Kegelbewegung um die Erdrichtung herum. Der Auslenkungswinkel wurde zunehmend größer. Versuche, die Nutation mittels kurzer Triebwerksstöße zu unterbinden, hatten den gegenteiligen Effekt und wurden schleunigst unterlassen. Was war da bloß los?

Der Anfangsverdacht, es könnte ein Leck in einer Treibstoffleitung vorliegen und deswegen einseitig Treibstoff austreten, bestätigte sich nicht, der Tankdruck blieb stabil. Nach einigen Tagen Ratlosigkeit und Brüten über Differentialgleichungen gab ein altgedienter Mitarbeiter des JPL den entscheidenden Hinweis. Er war an einer ähnlichen Sondenmission beteiligt, die bereits 13 Jahre zuvor im Jahre 1977 gestartet worden war. Diese Sonde war ähnlich aufgebaut wie Ulysses, sie hatte auch einen axialen Ausleger, bei dem offensichtlich die Verankerung unzureichend gewesen war, sodass er sich seitlich verbiegen konnte. Wenn die Sonne auf eine Seite des Auslegers schien, erwärmte sich diese Seite und dehnte sich aus, sodass sich der Ausleger zur anderen Seite hinbog.

Durch die Rotation der Sonde bog sich der Ausleger immer zur einen, dann zur anderen Seite und brachte dadurch die ganze Sonde ins Wackeln – etwa so, wie wenn ein kleiner Hund so kräftig mit dem Schwanz wedelt, dass sein ganzes Hinterteil in Bewegung kommt.

Das Team hatte nun eine Spur und konnte versuchen, diesen Effekt zu simulieren. Und wirklich – in der Simulation konnte das Verhalten reproduziert werden. Das musste es also sein – offenbar hatte der Ausfahr- und Befestigungsmechanismus den axialen Ausleger nicht fest genug eingeklemmt, sodass seine Biegesteifigkeit nicht ausreichte. Nachdem man der Panne auf die Schliche gekommen war, kehrte etwas Ruhe ein, denn es war klar, dass sich das Problem von selbst lösen würde, wenn die Sonde sich von der Sonne entfernte und außerdem der axiale Ausleger immer mehr im Schatten der Sonde zu liegen kommen würde. Ohne wechselseitige Erwärmung auch kein Wackeln.

Ulysses in Flugkonfigurationam Jupiter, Quelle: ESA In der Tat: in den kommenden Tagen und Wochen verbesserte sich die Situation – es gab ein großes Aufatmen. Nichts ist schlimmer für einen Raumfahrtingenieur als ein nicht verstandenes Problem, weil man dann nie weiß, ob es nicht unverhofft wieder auftritt und vielleicht derselbe Fehler bei einem anderen Projekt wiederholt wird.

Ulysses aber machte seinem Team keine weiteren Probleme (bis auf die zunehmende Altersschwäche in seinen letzten Jahren) und wurde zu einer ausnehmend erfolgreichen Mission, mit der das Magnetfeld und die nähere Umgebung der Sonde nicht nur einmal, sondern gleich dreimal über einen kompletten Sonnenzyklus hinweg untersucht werden konnte.

Lebewohl, Ulysses, dein Weg ist hier zuende.

Weitere Informationen

ESA-Webseite zu Ulysses

NASA-Webseite zu Ulysses

ESA-Artikel zum Ableben von Ulysses

Artikel auf raumfahrer.net

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

4 Kommentare

  1. Starttermin

    Wie kann die Sonde mehr als 17 Jahre unterwegs sein, wenn sie erst im Jahr 2000 gestartet wurde?
    Ansonsten ein sehr interessanter Artikel über diese kaum beachtete Mission.

    Der Link “ESA-Webseite zu Ulysses” funktioniert übrigens nicht.

  2. Berechtigte Einwände

    Vielen Dank für die Anmerkungen, die Fehler sind korrigiert. Die Sonde wurde natürlich 1990 gestartet, nicht 2000. Kaum zu glauben, dass das schon wieder so lange her ist ….

  3. @M. Khan: Plutonium

    Hallo Herr Khan,

    herzlichen Dank für diese äußerst interessanten Einblicke zur Mission Ulysses. In dieser kompakten Form, mit diesen Hintergrundinformationen und der persönlichen Beteiligung/Anteilnahme bekommt man das ja nirgendwo zu lesen. Schön, dass wir Sie bei den KOSMOlogs haben.

    Ich habe auch Fragen: Weshalb verwendet man für die RTGs den “Höllenstoff” Plutonium, das nicht nur radioaktiv, sondern auch sehr giftig ist? Liegt es daran, weil es sich durch die Radioaktivität bis zur Weißglut erhitzt, dabei kaum Gammastrahlung emittiert und das unter den Radionukliden mehr oder weniger einzigartig ist? Verwendet man vorzugsweise Radionuklide mit langen Halbwertszeiten, damit eine lange Missionsdauer ermöglicht wird?
    Die Verwendung von Plutonium in der Raumfahrt ist ja in die Kritik geraten, weil im Falle eines Raketenunglücks eine Verseuchung durch Plutonium droht. Sind die Pu-Mengen so gering, dass die Gefährdung minimal ist? Könnte man wenigstens auf ungiftige Radionuklide ausweichen?

    Beste Grüße,
    Andreas Müller
    (KOSMOlogs, Einsteins Kosmos)

  4. Antwort an Andreas Müller

    Zwar bin ich als Missionsanalytiker keineswegs Experte in Sachen RTG (Thermoelektrische Radioisotop-Generatoren), aber mein Wissensstand ist Folgender:

    Die Auswahl des geeigneten Radionuklids unterliegt zahlreichen Kriterien. Zum einen muss die Halbwertszeit ausreichend lang sein, aber auch die Leistungsdichte hoch, zum anderen moechte man es vorwiegend mit Alpha-Strahlung zu tun haben, wie Sie ganz richtig anmerken.

    Beim zumeist verwendeten Plutonium-Isotop 238Pu liegt die Halbwertszeit bei 88 Jahren – andere Isotope von Plutonium, Thorium oder Uran mit einer HWZ im Bereich von mehreren Dekaden sind gar nicht so leicht zu finden. Isotope mit sehr kurzen oder langen HWZ eignen sich nicht.

    Ferner ist auch die Beschaffbarkeit des verwendeten Stoffs von Bedeutung. 238Pu wird aus 237Np gewonnen, einem “Abfallprodukt” aus der Aufbereitung von Kernbrennstoffen und somit relativ verfügbar.

    Für 238Pu spricht weiterhin, dass es nicht spaltbar ist.

    Die Frage nach der Gefährlichkeit ist natürlich sehr berechtigt. Ich sehe jedoch nicht unbedingt, dass die denkbaren Alternativen, beispielsweise 232U, in punkto Toxizität so viel harmloser waeren.
    Es bleibt jedem selbst überlassen, sich zu informieren und das Gefährdungspotenzial zu beurteilen. Ich habe nicht den Eindruck, dass jeder Pressebericht zu diesem Thema auch wirklich zuverlässige Informationen liefert.

    http://www.ead.anl.gov/pub/doc/uranium.pdf
    http://www.cea.fr/var/cea/storage/static/gb/library/clefs48/pdfgb/encadredgb.pdf
    http://www.wise-uranium.org/utox.html
    http://www.doh.wa.gov/…ctsheets-htm/fs28plut.htm

    Welches Material man auch verwendet, ein Gefährdungspotenzial ist auf jeden Fall gegeben, man wird es immer in eine hochwarmfeste keramische Matrix einbetten, damit auch im Fall eines Unglücks das Risiko der Kontamination, insbesondere das der Inhalation, minimiert wird.

    Das Hauptrisiko ist dabei nicht unbedingt die Explosion der Rakete auf der Startrampe, sondern eher der ungewollte Wiedereintritt, da letzterer mit höherer Hitzebelastung über einen längeren Zeitraum verbunden ist. Nicht nur die Einbettung in eine keramische Matrix, auch die Wahl des Missionsprofils tragt der Minimierung des Risikos Rechnung.

    Bernd Leitenberger setzt sich hier detailliert mit dem Thema “Sicherheit von RTG” auseinander:

    http://www.bernd-leitenberger.de/cassini-rtg.shtml

Schreibe einen Kommentar