Astronomie im Chiemgau e.V. Die Cassini

Ich darf Sie im Namen des Vereins
Astronomie im Chiemgau e.V.
zum heutigen Vortrag begrüßen.
.
Das Thema lautet
Die Cassini-Huygens Mission
oder
Die abenteuerliche Reise zum
Herrn der Ringe
Der Vortrag berichtet von
der Erkundung des Planeten
Saturn und seiner Umgebung
mit der Sonde Cassini
sowie der Erkundung
des größten SaturnMondes Titan mit
dem Lander Huygens
Die Mission wurde
am 15. Oktober 1997
gestartet und endete
am 15. September
2017
Reisebegleiter Klaus Hünlich
Gastgeber beim Herrn der Ringe Christoph Schmidt
Von NASA - http://saturn.jpl.nasa.gov/multimedia/images/image-details.cfm?imageID=616,
Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2634384
Die Namensgeber
Giovanni Domenico Cassini
(1625 - 1712)
Christiaan Huygens
(1629 - 1695)
Italienischer Astronom, der in Frankreich
Hofastronom von Louis XIV war.
Er entdeckte mehrere Saturnmonde und
bemerkte als Erster die „Cassinische Teilung“,
die größte Lücke in den Saturnringen
Niederländischer Physiker (Zeitmessung,
Wellennatur des Lichtes, Teleskopbau u.a.m.)
Lebte und arbeitete in Den Haag und deutete als
Erster die scheinbaren „Ausbuchtungen“ des
Saturn richtig als freischwebende Ringe.
Entdecker des größten Saturnmondes Titan
Missionsziele
Titan:
Aerosole der Atmosphäre und die Beschaffenheit der
Oberfläche, Zusammensetzung, Ionisationsfähigkeit,
Austauschströmungen, Wolkenbildung, Temperaturbild sowie
organische Verbindungen
Magnetosphäre: Bestimmung der genauen Konfiguration des axial-
symmetrischen Magnetfeldes und seine Beziehung zur
Radiostrahlung im Kilometerbereich
Bestimmung der Zusammensetzung, Quellen und Senken von
geladenen Teilchen in der Magnetosphäre
Untersuchung der Wellen-Teilchen-Interaktionen, Dynamik der
Magneto-sphäre auf der Tagseite, dem Magnetotail von Saturn
und dessen Wechsel-wirkungen mit Sonnenwind, Monden und
den Ringen
Studien zur Wechselwirkung von Titans Atmosphäre und
Exosphäre mit dem umliegenden Plasma
Die Sonde Cassini soll den Planeten Saturn und seine Monde
als Orbiter aus der Umlaufbahn erkunden
Die Sonde Huygens ist als Lander auf Titan
niedergegangen, um vor Ort Erkundungen vorzunehmen.
ACP: Aerosol Collector and Pyrolyser
GCMS: Gas Chromatograph Mass Spectrometer
DISR: Descent Imager Spectral Radiometer
HASI: Huygens Atmosphere Structure Instrument
DWE: Doppler Wind Experiment
SSP:
Surface Science Package
Der Lander Huygens
Zusammengebaut, ohne Hitzeschild
Flug-Planung - Übersicht
Der kürzeste Abstand
zwischen Erde und Saturn
beträgt etwa 1,3 Mrd
Kilometer.
vStart bestimmt maßgeblich den
benötigten Treibstoff und so
indirekt, wieviel Nutzlast
transportiert werden kann. Der
direkte Weg würde eine hohe
Startgeschwindigkeit
erfordern.
Geeignete Bahnen, um die
Sonde zu beschleunigen und
für Richtungskorrekturen ohne
zusätzlichen Treibstoffverbrauch, lassen sich aber
auch durch geeignete SwingBy Manöver erreichen. Davon
soll nun die Rede sein.
Antrieb & Swing-by
●
●
●
Für einen direkten Flug (ohne Swing By) zum
Saturn ist eine Geschwindigkeit von 15,1 km/s
nötig.
Die Startrakete, eine Titan-IV(401)B, erreicht mit der
vorgesehenen Nutzlast nur ca. 8 km/s, also etwas
mehr als die 1. kosmische Geschwindigkeit.
Wie bei der Mission die fehlende Energie mit Hilfe
der Anziehungskraft von an der Flugbahn liegenden
Planeten durch „Swing-by“-Manöver gewonnen
wird, zeigen nachfolgenden zwei Folien.
Antrieb & Swing-by
Wege in den Weltraum
Eine größere Geschwindigkeit bewirkt eine ellipsenförmige Bahn (D). Die Lage
der Ellipse hängt von v ab.
Mit der 1. kosmischen
Geschwindigkeit (7,9 km/s)
beschreibt ein Satellit eine
Kreisbahn entlang der Erdoberfläche (C).
Die 2. kosmische Geschwindigkeit (11,2 km/s)
ergibt eine Parabelbahn (E),
auf der das Raumfahrzeug
die Erde ganz verlässt.
Antrieb & Swing-by
Swing-By-Manöver
G = Gravitationskonstante
m1 = Masse 1
liefern
m2 = Masse 2
r = Abstand zwischen m1 und m2
mit
oder Gravitational Assist GA
⃗F =G
m1⋅m2
r
2
„Newtons Gravitationsgesetz“
Die Gravitation wirkt zwischen allen Massen, also auch zwischen einer Raumsonde und
einem Planeten. Das erlaubt es, die Gravitation je nach Randbedingungen als
beschleunigende oder abbremsende Kraft für Bahnmanöver zu nutzen:
Beschleunigung
Abbremsung
Flug-Verlauf
Der Start von Cassini am 15.10.1997 erfolgte zeitlich so, dass
ein erster Vorbeiflug an der Venus ohne besonderes Manöver
im April 1998 stattfinden konnte.
Flug-Verlauf
Der Start von Cassini am 15.10.1997 erfolgte zeitlich so, dass
ein erster Vorbeiflug an der Venus ohne besonderes Manöver
im April 1998 stattfinden konnte.
Flug-Verlauf
Am 26. April 1998 passierte Cassini zum ersten Mal die Venus,
wurde dabei beschleunigt und gelangte auf eine neue Bahn,
die sie zunächst bis über die Marsbahn hinaus führte.
Flug-Verlauf
Im Dezember 1998 brachte ein zusätzliches Steuermanöver die
Sonde auf die für einen zweiten Vorbeiflug an der Venus nötige
Bahn.
Flug-Verlauf
Am 24. Juni 1999 passierte die Sonde erneut die Venus und wurde
dabei auf eine Geschwindigkeit von 13,6 km/s beschleunigt sowie auf
eine Bahn gelenkt, die ein weiteres Swing-By Manöver an der Erde
zum Ziel hatte.
Flug-Verlauf
Am 18. August 1999, eine Woche nach der totalen Sonnenfinsternis,
kehrte Cassini zur Erde zurück und führte ein Swing By-Manöver an
unserem Heimatplaneten durch. Diesmal wurde sie auf 19,1 km/s
beschleunigt und auf eine Bahn in Richtung Jupiter gelenkt.
Flug-Verlauf
●
●
●
Ein drittes Swing-by Manöver bei der Erde brachte die
Sonde 1999 auf 19,1 km/s.
Als Wärmeschutz für die Elektronik diente bis Ende 1999
die Parabolantenne für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung. Danach war die Sonneneinstrahlung so weit
abgeschwächt, dass eine Gefährdung der Elektronik
ausgeschlossen werden konnte. Jetzt war der Zeitpunkt
für erste Tests mit der Antenne gekommen
Erstmals gibt es dabei Probleme mit der Kommunikation.
Kommunikation
Von der Erde wurden simulierte Daten der Huygens-Sonde zu
Cassini gesandt, von denen dann 90 % verloren gingen.
Kommunikation
Die Ursache wurde
im Empfangssystem des „Bit LoopDetector“
gefunden, der den Dopplereffekt nicht verarbeiten konnte.
Der Fehler konnte
durch Anpassung
der Geschwindigkeit gemindert werden
Flug-Verlauf
Am 23. Januar 2000 erreichte die Sonde die größte Annäherung an
den Asteroiden Masursky.
Asteroid Masursky
Cassini passierte den
Asteroiden am 23. Januar
2000 mit einer maximalen
Annäherung von 1,5
Millionen km und sandte
fotografische Aufnahmen
zur Erde, die jedoch
wegen der im Verhältnis
zur Asteroidengröße
großen Entfernung keine
Details der Oberfläche
zeigen.
Flug-Verlauf
Am 30. Dezember 2000 flog Cassini am größten Planeten des
Sonnensystems, Jupiter, vorbei. Sie wurde dabei beschleunigt und
in Richtung ihres Zieles gelenkt. Der Flug bis dahin sollte allerdings
noch weitere 4 Jahre dauern.
Jupiter
Der Fly-by an Jupiter wurde genutzt, um die Instrumente zu kalibrieren und
mit ihnen Messungen mit
bis dahin unerreichter Genauigkeit durchzuführen.
Im Laufe dieses Missionsabschnitts wurde auch
das bis heute höchstaufgelöste Fotomosaik des
Planeten aus mehreren
Einzelaufnahmen angefertigt (siehe Bild rechts)
Flug-Verlauf
Am 1. Juli 2004 erreichte Cassini schließlich ihr Ziel, Saturn,
und wurde in eine zunächst sehr weitläufige Umlaufbahn um
den „Herrn der Ringe“ gebracht.
Ziel erreicht
Blick von der Sonde beim Saturn auf die Erde (Pfeil)
Saturn...
...ist der „Star“ unter den
Planeten, der bekannteste
und berühmteste der
Begleiter der Sonne.
Ringe
Das Besondere an ihm sind
die breiten, leuchtenden
Ringe aus unzähligen Eisund Gesteinspartikeln…
Monde
…und seine vielen großen und
kleinen Monde aus Eis oder aus
Fels, mit Atmosphären und
aktiven Eis-Vulkanen.
Saturn
Astronomische Daten
Saturn ist der 6. Planet des
Sonnensystems
●
Entfernung v. d. Sonne: 1,4 Milliarden km
●
Umlaufzeit um die Sonne: 29,5 Jahre
●
Umdrehungszeit: 10h 40min
●
Durchmesser des Planeten: 120.000 km
●
6 Ringe, Durchmesser: 960.000 km
●
Monde: z. Zt. ca. 60 bekannt
●
Saturn
Physikalische Daten
Saturn ist ein Gasriese. Er
besteht hauptsächlich aus
Wasserstoff und Helium
● Die Gase bilden eine
ausgedehnte Atmosphäre
● Im Inneren werden die Gase
unter dem hohen Druck flüssig
und schließlich fest
● Im Zentrum liegt ein heißer Kern
aus Gestein (ca. 12.000 Grad).
●
Saturn
Physikalische Daten
Saturn hat keine feste
Oberfläche
● Temperatur in oberster Schicht
der Gashülle ca. -130 Grad
● Geringste Dichte aller Planeten
(0,7g/cm3), Saturn würde auf
Wasser schwimmen!
● Schwerkraft etwa gleich der
Erde.
●
Saturn
Meteorologische Daten
Gewaltige Stürme in der
Atmosphäre
● Wolkenbänder rund um den
Planeten
● Riesige Gaswirbel existieren
Jahrzehnte oder Jahrhunderte
lang
● Enorme Zyklone am Nord- und
Südpol
● „sechseckiger“ Sturm am Nordpol.
●
Die Ringe
Die Ringe umgeben den
Planeten wie ein breites, hell
leuchtendes Band. Sie haben
fast 1 Mio. km Durchmesser, sind
aber nur etwa 100 Meter dick
●
Die Ringe liegen genau in der
Äquatorebene des Saturn
●
Sie sind keine gleichmäßigen
Bänder, sondern bestehen aus
Tausenden schmaler einzelner
Ringe (engl. „Ringlets“).
●
Die Ringe
Die Ringe bestehen aus
unzähligen, kleinen und
kleinsten Eis- und
Gesteinsteilchen, die jeder für
sich den Planeten umkreisen.
● Zwischen den Ringen liegen
viele Lücken, sog. Teilungen, in
denen sich keine Teilchen
befinden. Die größte heißt
nach ihrem Entdecker
„Cassinische Teilung“.
●
Die Ringe
Die Ringe werden von
einigen der Monde des
Saturn stabilisiert und
zusammengehalten.
● Auch die Teilungen sind
von Monden verursacht,
z.B. wird die Cassinische
Teilung von dem Mond
Mimas erzeugt.
●
Die Ringe
Entstehung der Ringe ist
ungeklärt
● Vielleicht haben Gezeitenkräfte
des Saturn einen früheren
Mond in Stücke gerissen,
dessen Trümmer sich um den
ganzen Planeten verteilt haben
● Vielleicht hat auch ein Asteroid
einen Mond zertrümmert
● Die Ringe existieren eventuell
nur kurze Zeit, d.h. einige
Millionen Jahre.
●
Monde
Zur Zeit sind etwa 60 Monde bekannt,
doch es werden ständig weitere
entdeckt
●
Etwa ein halbes Dutzend von ihnen
sind im Teleskop von der Erde aus
sichtbar
●
Die meisten sind aber klein (< 100
km) und wurden erst von den
Raumsonden Pioneer, Voyager und
Cassini gefunden.
●
Phoebe
Entfernung von Saturn 12,9 Mio km
●
Umlaufzeit 550 Tage
●
Durchmesser 213 km
●
Oberfläche sehr dunkel
●
Viele Krater, darunter einer („Jason“) mit 100 km
Durchmesser (halb so groß wie Phoebe selbst)
●
Retrograde Umlaufbahn, d.h. andersherum als
die anderen Monde
●
Phoebe
NASA Originaltext
„This spectacular view was
obtained at a phase, or SunPhoebe-spacecraft, angle of 84
degrees, and from a distance of
approximately 32,500 kilometers
(20,200 miles).“
„The image scale is
approximately 190 meters (624
feet) per pixel. No enhancement
was performed on this image.“
Mimas
Entfernung von Saturn nur 185.500 km
●
Umlaufzeit nur 22h 37 min
●
Durchmesser 400 km
●
Oberfläche hauptsächlich aus Eis
●
Viele Krater, darunter einer („Herschel“) mit 130
km Durchmesser
●
Verursacht durch Resonanzeffekte die
Cassinische Teilung in den Ringen.
●
Mimas
Einschlagkrater „Herschel“ auf Mimas
Titan
Durchmesser 5150 km
●
größter Saturnmond, zweitgrößter Mond im
Sonnensystem
●
Umlaufzeit um Saturn 16 Tage
●
Atmosphäre aus Stickstoff und Methan, 50% dichter als
die der Erde
●
Wolken und Regen aus flüssigem Methan
●
Oberfläche aus steinhartem Eis
●
Flüsse und Seen aus Methan auf der Oberfläche
●
Spekulationen über Leben.
●
Titan mit roten Wolken
Blick mit Radar auf Titans Oberfläche
Methanseen auf Titan
Huygens landet auf Titan (24.01.2005)
●
●
●
●
●
Auf Titan herrschen -180
Grad
Methan (Erdgas) ist hier
flüssig
Es gibt Methanregen, -flüsse
und -seen
Wassereis ist so hart wie
Gestein
Es könnte Leben geben,
jedoch nicht wie unseres,
sondern auf Methan
aufgebaut.
Erste Farbaufnahme von Huygens
Titan-Oberfläche: Existiert dort Leben?
Japetus
Durchmesser 1400 km
●
Umlaufzeit um Saturn 80 Tage
●
Oberfläche z.T. aus Eis
●
Auf einer Seite weiß, auf der anderen
fast schwarz
●
10 km hohes Gebirge zieht sich genau
am Äquator rund um den ganzen Mond.
●
Iapetus mit heller und dunkler Region
Iapetus mit Äquatorialgebirge
Janus u. Epimetheus
koorbitale Monde, minimal verschiedene
Umlaufbahnen
●
Durchmesser ca. 150 km, unregelmäßig
●
Umlaufzeit um Saturn 17 Stunden
●
Alle 4 Jahre enge Begegnung
●
Die Monde vertauschen dabei ihre
Umlaufbahnen, überholen sich aber nicht.
●
Janus
Epimetheus
Enceladus
Entfernung von Saturn 237.000 km
●
Durchmesser 500 km
●
Umlaufzeit um Saturn 33 Stunden
●
Oberfläche aus reinem Wassereis
●
„Hellster“ Himmelskörper des gesamten
Sonnensystems, Albedo über 99%
●
Aktive Vulkane, die flüssiges Wasser und Dampf
ins All schleudern.
●
Die Eisoberfläche von Enceladus
Dampffontänen am Südpol von Enceladus
Wasser
auf Enceladus
Aus mehreren Spalten und Klüften am Südpol
von Enceladus tritt Wasserdampf in den
Weltraum aus
●
Cassini ist mehrmals durch die Dampffontänen
hindurchgeflogen
●
Der Dampf enthält Salz, Ammoniak, Silikon sowie
Methan, Propan und Azetylen
●
Hydrothermale Schlote unter dem Eis möglich
●
Eisozean auf Enceladus
Hydrothermale Schlote auf dem Grund von Enceladus‘ Eisozean
Leben
auf Enceladus ?
Enceladus verfügt über flüssiges Wasser
unter dem Eis
●
Im Wasser sind Chemikalien gelöst, die
für Leben notwendig sind
●
Es gibt eine Energiequelle, vermutlich
Gezeitenkräfte, die das Wasser erwärmen
●
Dies ist kein Beweis für Leben, aber die
Möglichkeit ist gegeben!
●
Kamikaze durch die Ringe
●
●
●
●
●
Der Treibstoff von Cassini war nach 20 Jahren zu
Ende
Zum Ende der Mission wurde Cassini auf einen
Kamikaze-Einsatz geschickt
Die Sonde flog ingesamt 22 Mal zwischen den
Ringen und der obersten Atmosphärenschicht des
Planeten hindurch
Bei den letzten paar Umläufen durchquerte sie
bereits die Ausläufer der Atmosphäre.
Dabei entstanden spektakuläre Bilder von bis
dahin unerreichter Detailgenauigkeit.
Kamikaze durch die Ringe
Das Nordpol-Hexagon
Kamikaze durch die Ringe
Zwischen Wolken und Ringen hindurch
Cassinis letzter Flug
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●
●
Nach 22 Ringpassagen hatte Cassini keinen
Treibstoff mehr und konnte nicht mehr gesteuert
werden
Eine Rückkehr zur Erde ist nicht möglich
Unkontrolliert hätte sie in den nächsten
Jahrzehnten auf einen der Monde prallen können,
z.B. Enceladus oder Titan
Die Sonde war auch nach vielen Jahren im
Weltraum noch mit Mikroben von der Erde behaftet
Irdische Mikroben sollten keinesfalls auf die
Saturnmonde gelangen (Kontamination)
Cassinis letzter Flug
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Cassini sollte deshalb in der Saturnatmosphäre
verglühen
Am 15.9.2017 wurde Cassini absichtlich in die
Atmosphäre des „Herrn der Ringe“ gesteuert
Die Antenne wurde zuvor auf die Erde gerichtet
Während des Absturzes wurde die Atmosphäre des
Saturn untersucht
Die Messdaten wurden so lange direkt zur Erde
übertragen, bis die Sendeanlage versagt
Schließlich verging Cassini in einem Feuerball.
Cassinis letzter Flug
Saturn...
...ist durch Cassini keineswegs vollständig
erforscht worden und wird das wohl niemals sein
●
Auch nach der Cassini-Mission bleiben unzählige
Fragen ungelöst
●
Wir haben gerade erst angefangen zu verstehen,
was in und um Saturn vor sich geht
●
Besonderes Interesse verdienen die Eismonde
als potentielle Träger von Leben
●
Weitere Missionen sind geplant.
●
Saturn...
Bye, bye Cassini...
Astronomie im Chiemgau e.V.