Aufbruch zu einer Welt der Extreme

Mit zwei Raumsonden soll die Mission BepiColombo den Planeten Merkur erforschen

10. Oktober 2018

Am Samstag, 20. Oktober 2018, um 3.45 Uhr (MESZ) startet die Weltraummission BepiColombo, ein gemeinsames Projekt der Europäischen und der Japanischen Weltraumagenturen (ESA und JAXA) ins All. Ihr Ziel ist Merkur, der sonnennächste und kleinste Planet unseres Sonnensystems. 2025 wird sie ihn erreichen. BepiColombo besteht aus zwei Raumsonden, die aneinander gekoppelt „anreisen“, den Planeten dann aber aus zwei unterschiedlichen Umlaufbahnen untersuchen: dem Mercury Planetary Orbiter (MPO) der ESA und dem Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) der JAXA. Gemeinsam sollen die Sonden ein umfassendes Bild des Merkurs zeichnen – von seinem inneren Aufbau über seine Oberfläche und seine ausgesprochen dünne Atmosphäre bis hin zu den Magnetfeldern, die ihn umgeben. Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen trägt zu vier der insgesamt 16 wissenschaftlichen Instrumente bei.

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Diese Aufnahme des Merkurs gelang der NASA-Raumsonde MESSENGER, einer Vorgängermission von BepiColombo. Die Oberfläche des Planeten ist in Falschfarben dargestellt. Dadurch werden bestimmte Oberflächenstrukturen wie hier das große Caloris-Einschlagbecken (orange) gut sichtbar.

Merkur gehört zu den am wenigsten erforschten Planeten unseres Sonnensystems. Lediglich zwei Mal erhielt der direkte Sonnennachbar bisher „Besuch“ von der Erde: in den 70er Jahren flog die NASA-Sonde Mariner 10 dreimal an ihm vorbei; von 2011 bis 2015 umkreiste ihn MESSENGER, ebenfalls ein Raumschiff der NASA. Trotz des vergleichsweise geringen Abstandes des Merkurs zur Erde sind lediglich die Planeten Uranus und Neptun, die sich am äußersten Rand des Sonnensystems befinden, seltener Ziel von Weltraummissionen geworden. Grund dafür ist vor allem die Nähe des Merkurs zur Sonne: Eine Raumsonde so abzubremsen, so dass sie in eine Umlaufbahn um den innersten Planeten einschwenken kann, erfordert viel Energie.

Doch der Aufwand dürfte sich lohnen. Mit seinem riesigen Einschlagbecken, seinen bis zu drei Kilometer hohen Steilkanten, die wahrscheinlich auf das Schrumpfen des Planeten zurückzuführen sind, und seinen vulkanisch entstandenen Gebieten ist der Merkur eine faszinierende Welt. Hinzu kommen Höchsttemperaturen von 470 Grad Celsius, ein schwaches globales Magnetfeld und eine ausgesprochen dünne Atmosphäre, genannt Exosphäre. Eine Welt der Extreme.
„BepiColombo soll uns helfen zu verstehen, wie sich der Merkur seit seiner Entstehung entwickelt hat – und warum diese Entwicklung so anders verlaufen ist als bei der Erde“, erklärt Ulrich Christensen, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Ein Rätsel gibt beispielsweise das Magnetfeld des Merkurs auf. Das Magnetfeld der Erde entsteht in ihrem heißen, flüssigen Eisenkern. Merkur besitzt im Vergleich zu seinem geringen Durchmesser sogar einen besonders großen Eisenkern. Deshalb ist es schwer verständlich, warum das Magnetfeld an der Oberfläche des Planeten hundert Mal schwächer ist als das der Erde.

Das Instrument BELA (BepiColombo Laser Altimeter), zum dem Wissenschaftler des MPS beigetragen haben und zu dessen Team Prof. Christensen gehört, soll vor Ort einen indirekten Blick ins Innere des Planeten werfen. BELA wird die Höhenunterschiede der Merkuroberfläche mit einer Genauigkeit von einem Meter messen. Dadurch lässt sich bestimmen, wie stark der Einfluss der Sonne den Planeten zum einen in eine leichte Taumelbewegung versetzt, zum anderen ihn deformiert. Beides ermöglicht Rückschlüsse auf den inneren Aufbau.

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Die Schwestersonden MPO (Mercury Planetary Orbiter) und MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) umrunden den Merkur auf unterschiedlichen Ellipsen: MPO nah am Planeten, MMO weiter außen.

BELA ist Teil der Sonde MPO. Nach ihrer Ankunft am Merkur 2025 und dem Abkoppeln von der Schwestersonde MMO soll MPO auf einer polaren, elliptischen Umlaufbahn um den Planeten kreisen. Der Abstand zur Oberfläche wird so zwischen 400 und 1500 Kilometern schwanken. Auch die zehn weiteren MPO-Instrumente werden aus dieser Entfernung einen guten Blick auf den Merkur genießen.

Zu ihnen zählt das Röntgenspektrometer MIXS (Mercury Imaging X-ray Spectrometer), das die Zusammensetzung der Merkuroberfläche untersucht und zu dem ebenfalls MPS-Wissenschaftler beigetragen haben. „Unser vorrangiges Ziel ist es, eine Karte des gesamten Merkurs zu erstellen, welche die Häufigkeit einzelner Elemente wie etwa Magnesium, Silizium und Eisen zeigt“, erklärt Max-Planck-Forscher Martin Hilchenbach, Mitglied des MIXS-Teams. Aus diesen Daten lässt sich beispielsweise bestimmen, wie sich die Kruste des Merkurs entwickelt hat und wie sie in unterschiedlichen Tiefen beschaffen ist. MIXS untersucht die sogenannte Röntgenfluoreszensstrahlung, welche die Merkuroberfläche ins All emittiert. Die Strahlung entsteht, wenn energiereiche Sonnenstrahlung auf die Oberfläche trifft. Die Messungen werden auch helfen zu verstehen, in welchem Ausmaß die Oberfläche Teilchen ins All abgibt.

Einer ähnlichen Fragestellung geht das Instrument SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitting Natural Abundances Experiment) nach. „Anders als die anderen erdähnlichen Planeten Venus, Erde und Mars ist der Merkur nicht von einer dichten Atmosphäre, sondern lediglich von einer sehr, sehr dünnen Exosphäre umgeben“, so SERENA-Teammitglied Markus Fränz vom Göttinger Max-Planck-Institut. Der Druck an der Merkuroberfläche beträgt nur ein Billionstel des Wertes an der Erdoberfläche. Wissenschaftler vermuten, dass diese Exosphäre in erster Linie von Atomen und Molekülen von der Planetenoberfläche gespeist wird. Welche Prozesse genau dies ermöglichen, soll SERENA untersuchen. Max-Planck-Forscher haben Teile des Instruments PICAM (Planetary Ion Camera) beigetragen.

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Das Instrument MIXS soll die Häufigkeit bestimmter Elemente an der Merkuroberfläche kartieren.

Ein weiteres Instrument mit Beteiligung aus Göttingen erforscht den Merkur an Bord der japanischen Sonde MMO, die ihre Bahnen in größerer Entfernung zum Planeten ziehen wird. Das Plasma-Teilchen-Experiment MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) spürt die Ionen und geladenen Teilchen auf, die im Magnetfeld des Merkurs gefangen sind. Forscher des MPS haben den Massenspektrometer MSA (Mass Spectrum Analyzer), ein Teilinstrument von MPPE mitentwickelt. „Der besondere Reiz der Merkur-Magnetosphäre ist ihre große Nähe zur Sonne“, erklärt Max-Planck-Forscher Norbert Krupp, Mitglied des MPPE-Teams. Auch bei der Erde wirkt sich beispielsweise der Sonnenwind, ein Strom geladener und ungeladener Teilchen von der Sonne, auf die Magnetosphäre aus. „Beim Merkur dürfte dieser Effekt deutlich ausgeprägter sein“, so Krupp. „BepiColombo bietet uns die einzigartige Möglichkeit, den Einfluss der Sonne auf planetare Magnetosphären beinahe an ihrer Quelle zu erforschen.“

Bis es soweit ist, müssen sich die Forscher jedoch noch geldulden. Der Anflug zum Merkur wird etwas mehr als sieben Jahre dauern. Allerdings wird BepiColombo während der Anreise schon einige Male einen kurzen Blick auf das Ziel werfen können. Um ihre Geschwindigkeit anzupassen und später in eine Umlaufbahn einschwenken zu können, fliegt die Sonde einmal dicht an der Erde, zweimal an der Venus und ab 2021 sechsmal am Merkur vorbei.

Veranstaltung in Göttingen

Für den Nachmittag vor dem Start von BepiColombo am Freitag, 19. Oktober, lädt das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung zu einer öffentlichen Veranstaltung ein. Unter dem Titel „Auf zum Merkur!“ bieten zwei Vorträge Hintergrundwissen zur Mission. Um 17 Uhr berichtet Direktor Ulrich Christensen vom aktuellen Stand der Merkurforschung. Was wissen wir über den kleinsten Planeten des Sonnensystems? Und welche offenen Fragen soll BepiColombo beantworten? Um 17.45 Uhr steht dann die Mission selbst im Fokus. Der Vortrag „BepiColombo – Die Doppelmission zum Merkur“ von Harald Krüger erläutert unter anderem Missionsverlauf und Zusammenspiel der beiden Teilsonden. Die Veranstaltung findet im Auditorium des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (Justus-von-Liebig-Weg 3, 37077 Göttingen) statt. Der Eintritt ist kostenlos.

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