• Pluto-Sonde "New Horizons"

Pluto der Höllenhund: Der sonnenfernste und kleinste der ehemals neun Planeten unseres Sonnensystems ist im März 1930 entdeckt worden. Auf einer Photoplatte war er eines von 160 000 kleinen Sternpünktchen, das dadurch auffiel, dass es bei einer zweiten Platte um 3,5 mm gegen die anderen Sterne verschoben war. Pluto ist auch in großen Fernrohren nur ein Lichtpünktchen, von Pluto aus gesehen wäre auch unsere Sonne nur ein heller Stern am dunklen Himmel. Pluto bekommt je nach Bahnposition bis zu 2430 mal weniger Sonnenlicht als die Erde! Keine Raumsonde hat den einsamen Wanderer in der Tiefe des Alls bisher besucht, wir wissen daher nur wenig über ihn. Wie man sich die Plutooberfläche eventuell vorstellen könnte, zeigt das Bild links (NASA). Der helle Stern auf diesem Bild ist die Sonne, die in der enormen Entfernung kaum noch Licht und Wärme spendet.

Im Mittel ist Pluto knapp 40 AE von der Sonne entfernt. Seine Umlaufzeit um die Sonne beträgt 248 Jahre. Die numerische Exzentrizität der Plutobahn hat mit 0,246 den größten Wert von allen Planetenbahnen, ebenso seine Bahnneigung von 17°. Auch sonst fällt Pluto völlig aus der Rolle: er ist kein Gasriese, sondern mit 2280 km Durchmesser der kleinste Planet im System. Sein 1978 entdeckter Mond Charon, der einen Durchmesser von 1200 km hat, bestimmt eine Bahn, die 118° zur Plutobahnebene geneigt ist und damit fast senkrecht steht. Das Durchmesser-Verhältnis Mond zu Planet beträgt fast 1:2, Pluto ist also eigentlich eher ein "Doppelplanet". Wegen all dieser Merkwürdigkeiten vermutet man, das Pluto kein "richtiger" Planet, sondern eher ein eingefangener großer Planetoid ist. Helligkeitsvariationen und Infrarotbilder deuten auf Methandunst und helle Flecken (Methan und Wassereis?) auf der -220°C kalten Oberfläche hin. Sternbedeckungen zeigen eine bis zu 3200 km hochreichende Atmosphäre, daher wurde früher auch der Durchmesser von Pluto viel zu groß angegeben!

Da den Politikern neuerdings todbringende Waffen wieder wichtiger sind als interessante Forschung wird Cassini die vorerst letzte große Raumsonde sein, allerdings kämpfen Wissenschaftler seit Jahren um die Mittel für eine kleinere Mission zu Pluto, die aber immer wieder vom Weißen Haus erfolgreich torpediert wurde. Erst als der Kongress gegen den Willen des Präsidenten finanzielle Mittel bewilligte, konnte Anfang 2006 endlich die Mission "New Horizons" auf den Weg gebracht werden. Für den Flug zu Pluto gibt es ab 2007 für lange Zeit kein geeignetes Startfenster mehr, und schon ein Start in 2007 hätte den Planeten nur direkt, also ohne "Schwungholen" an Jupiter erreichen können, was die Flugzeit um mehrere Jahre verlängert hätte, und bei Ankunft keine voll ausreichenden Reserven an Treibstoff und elektrischer Energie ermöglicht hätte. Auch wäre die Plutoatmosphäre wegen der zunehmenden Entfernung von Pluto zur Sonne inzwischen weitgehend gefroren auf den Planeten gefallen ("ausgefroren"), damit wäre eines der wichtigsten Untersuchungsobjekte für die kommenden 120 Jahre nicht mehr verfügbar gewesen, denn erst dann wird sich wegen der wieder geringeren Entfernung zu Sonne die Atmosphäre neu bilden. Mehr Information zur Sonde "New Horizons" gibt es weiter unten. Das Bild rechts (NASA) zeigt Pluto und Charon in direkter Aufnahme des Hubble-Teleskops. Nix und Hydra sind die weiter unten erwähnten 2005 neu entdeckten Monde des Pluto, die auf diesem (erst nach dem Schreiben der folgenden Abschnitte aufgenommenen Bild) sehr schön direkt zu erkennen sind.

Pluto kein Planet: Besondere Aktualität ergab sich auch dadurch, dass das Objekt UB 313 (mit Namen Eris) in 97 AE (also mehr als doppelter Plutoentfernung) von der Sonne entdeckt wurde, das nach ersten Messungen einen Durchmesser von ca. 2300km hat, und damit größer als Pluto ist. Das Objekt benötigt für einen Umlauf um die Sonne 560 Jahre. Wir wissen, dass in Plutoentfernung und dahinter der Kuiper-Gürtel liegt, ein Reservoir für kurzperiodische Kometen und andere Körper erheblicher Größe, genannt KBO (Kuiper Belt Objects), die nun bei gezielter Suche nach und nach entdeckt werde. Damit bestätigt sich, dass Pluto kein(!) Planet ist, sondern eben auch nur ein KBO, und nicht einmal das größte von ihnen. Es kam also die Idee auf, nach Vorbeiflug an Pluto mit New Horizons auch noch ein weiteres KBO anzufliegen und zu untersuchen, falls der Treibstoff und die elektrische Energie der Sonde das zulassen.

Neue Monde: Wird Pluto nun vom Planeten zu einem von vielen KBO degradiert, so gibt es doch eine Besonderheit. Ende 2005 gab es eine sehr interessante Entdeckung des Hubble Teleskops. Auf Aufnahmen, die schon drei Jahre zuvor gemacht wurden, gab es merkwürdige Punkte, die nun auf aktuellen Bildern eindeutig als zwei neue Monde Plutos identifiziert wurden. Die vorläufigen Daten dieser Monde sind in der beigefügten Tabelle zusammengefasst. Im unten eingefügten Bild sind die neuen Monde wesentlich stärker belichtet als Pluto und Charon, und erscheinen daher relativ gesehen viel zu hell. Mit nur 23mag sind die Monde in Wirklichkeit nur in ganz großen Teleskopen zu sehen. Man hat zwar auch schon andere KBO mit einem Mond gefunden, mit drei Monden nimmt Pluto aber eindeutig eine Sonderstellung ein. Es wird besonders interessant sein zu beobachten, wie die 2006 näherungsweise angegebenen Daten in der Tabelle links sich im Laufe der Jahre verändern und präzisieren! Später wurden die Monde auf die Namen Nix (S/2005 P2) und Hydra (S/2005 P1) getauft, die Größe konnte aber auch bei der Namensgebung noch nicht präzise angegeben werden.

Auch diese neuen Monde könnten ein Untersuchungsobjekt für die Pluto-Sonde werden, allerdings würde bei dem schnellen Vorbeiflug die Erforschung von Pluto und Charon Priorität haben, denn wegen der kurzen Zeit ist es schwierig, die Sonde noch auf andere Objekte auszurichten. Auf jeden Fall haben wir nun nach dem erfolgreichen Start von New Horizons die Hoffnung, dass wir neun Jahre nach dem Start der Sonde etwas mehr über die Objekte im geheimnisvollen und eisigen Bereich jenseits der Neptunbahn erfahren, so weit entfernt, dass selbst unsere Sonne dort nur noch als heller Stern am Himmel steht. Damit wäre dann auch eines der letzten großen Geheimnisse unseres Planetensystems zumindest teilweise gelüftet, wünschen wir der Sonde (s. Bild unten, NASA) viel Glück, sie wird es für ihre fast endlose Reise voller unkalkulierbarer Gefahren dringend benötigen......

Zusammenfassung:

Bahnradius:	39,88 AE
Masse:	0,0025 Erdmassen
Durchmesser:	0,18 Erddurchmesser
Dichte:	2,15 g/cm³
Monde:	Charon (vollständig gebundene Rotation)
Umlaufzeit:	248 a
Rotationsperiode:	6 d
Temperatur:	-220 °C Tagseite
Atmosphäre:	Methan (vermutet)
Oberfläche:	teilweise mit Methaneis bedeckt
Besonderheit:	Gelegentlich ist Pluto der Sonne näher als Neptun.

Pluto-Sonde "New Horizons"

Noch nie wurde Pluto von einer Raumsonde besucht: Bei den Voyager-Missionen konnte die Flugbahn nicht so eingerichtet werden, dass auch noch ein Vorbeiflug an Pluto gelungen wäre. Da diese Sonden primär Jupiter und Saturn untersuchen sollten, war Pluto für sie nicht erreichbar, denn nur ganz selten stehen die Planeten in einer Konstellation, in der sie mit einer relativ unproblematischen Flugbahn hintereinander angeflogen werden können. Da selbst sehr große Teleskope Pluto kaum erforschen können, war es nun an der Zeit, das letzte große Geheimnis des Sonnensystems in Angriff zu nehmen.

Eigentlich sollte der Start schon in einem besonders geeigneten Zeitfenster 2004 erfolgen, Jupiter hätte dann beim Vorbeiflug die Sonde erheblich beschleunigen können (mit einem sogenannten Swingby), was die Flugzeit verkürzt und/oder die Abflugmasse der Sonde erhöht. Leider war das Projekt aber zunächst aus Kostengründen gestrichen, so konnte der Start erst für Januar/Februar 2006 geplant werden, was den Energiegewinn bei Jupiter verringert. So wird die Sonde erst 2015 bei Pluto ankommen. Gelingt de Abschuss nicht vom 11.01.2006 bis zum 27.01.2006, so geht ein Start noch bis zum 06.02.2006 oder in einem Startfenster 2007, aber nur ohne Energiegewinn bei Jupiter im direkten Flug zum Pluto. Die Sonde braucht dann sehr lange, und käme im ungünstigsten Fall erst 2020 an, und das Gewicht der Sonde müsste verringert werden. Momentan hätte die Sonde ein Gewicht von 470kg, davon wären 77kg Treibstoff Hydrazin (Hydrazin entzündet sich im Triebwerk von selbst, und ermöglicht die Konstruktion von sehr einfachen und zuverlässigen Motoren).

Ein noch späterer Start würde Pluto nahezu unerreichbar machen, letzte Messungen zeigen eine aktuelle Temperatur von nur noch 43K (43 Grad über dem absoluten Nullpunkt), da sich Pluto in den kommenden Jahren wieder weiter von der Sonne entfernt wird er kälter, und seinen momentan sehr hochreichende Atmosphäre würde bis zur Ankunft der Sonde ausfrieren, und wäre für die nächsten 220 Jahre nicht mehr zu untersuchen. Auch würden wegen der langen Flugzeit die Nukleargeneratoren, die die Sonde mit Strom versorgen, in der Leistung nachlassen, was das Unternehmen gefährden würde, die Mission müsste dann gegebenenfalls zur Untersuchung des Uranus umfunktioniert werden. Gelingt der Start hingegen wie geplant, so hätte man eventuell sogar Reserven nach Pluto noch das kürzlich entdeckte KBO (Kuiper Belt Object) UB313 (Eris) anzufliegen. Dieses Objekt ist mit einem Mindestdurchmesser von 2390km größer als Pluto, und zeigt einmal mehr, dass Pluto kein(!) Planet ist, sondern ebenfalls "nur" ein KBO!

New Horizons wird mit ca. 17km/s die Sonde mit der höchsten Startgeschwindigkeit von der Erde sein, die jemals gestartet wurde. Dazu ist die größte verfügbare amerikanische Trägerrakete mit einer nochmals leistungsgesteigerten Oberstufe erforderlich. Zur Energieversorgung kann die Mission nicht auf Solarzellen bauen, bei Pluto ist die Sonne nur noch ein sehr heller Stern, der keine nennenswerte Energie mehr liefert! Man verwendet daher sogenannte RTG, die an anderer Stelle genauer beschrieben werden. New Horizons hat nur einen RTG, und auch dieser konnte bis zum Start nicht voll mit Plutonium bestückt werden (nur 11kg), was seine Leistung auf 240W beim Start, und neuen Jahre später bei Pluto 200W reduziert. Zur Verbindung mit der Erde hat die Sonde eine große Hauptantenne (Durchmesser 2,1m), und drei weitere Hilfsantennen, die weniger genau auf die Erde ausgerichtet werden müssen (die Hauptantenne hat nur einen Öffnungswinkel von 0,3 Grad)! Die Navigation erledigt die Sonde mit zwei Navigationskameras, die Sternbilder erkennen, und sich daran orientieren können. Da es selbst mit den stärksten Raketen unmöglich ist, eine Sonde beim Pluto auch noch abzubremsen, fliegt das Gerät mit hoher Geschwindigkeit an dem Planeten vorbei, und muss in kurzer Zeit sehr viele Daten sammeln, die erst gespeichert und später zur Erde gesendet werden können. An Bord der Sonde (Bild oben: NASA) befinden sich mehrere Experimente und Messgeräte:

• RALPH ist eine Farbkamera mit einem zusätzlichen Spektrometer

• LORRI ist eine Kamera mit besonders hoher Auflösung (Teleskop)

• ALICE ist ein Ultraviolett-Spektrometer zur Untersuchung der Pluto-Atmosphäre

• SWAP ist ein Plasma-Spektrometer zur Teilchenmessung (Sonne, Atmosphäre)

• PEPSSI ist ein Spektometer für Ionen, Protonen und Elektronen

• REX benutzt die Hauptantenne um die Plutoatmosphäre zu "durchleuchten"

• SDC (bzw. Venetia) ist ein von Studenten gebautes Instrument zur Zählung von Staubpartikeln

Update 2008: Die erfreuliche Mitteilung: Die Sonde konnte gerade noch in einem der relativ günstigen Startfenster im Januar 2006 gestartet werden. Damit war gesichert, dass New Horizons bei einem Vorbeiflug an Jupiter genügend Energie gewinnen kann, um Pluto 2015 zu erreichen. Nachdem die Sonde erfolgreich auf Kurs gebracht wurde, konnte man sich um die Instrumente kümmern. Im Februar wurde das Alice-Spektrometers in Betrieb genommen, im März folgten das SWAP-Instrument und das SDC-Experiment. Die internen Elektronik-Checks waren Ende März absolviert, und im Sommer war auch die Kalibrierung aller Instrumente abgeschlossen.

Inzwischen hatte die Sonde die Marsbahn überquert, und näherte sich dem Asteroidengürtel. Da es nicht möglich ist, die Bahn so zu berechnen, dass alle Asteroiden (die man ja nicht komplett vermessen hat) in großem Abstand passiert werden, ist es immer spannend, ob eine Sonde heil durch den gefährlichen Bereich kommt. Man stellte fest, dass sich die Sonde einem großen Asteroiden mit immerhin 4km Durchmesser nähern würde, und bereitete sich auf den relativ knappen Vorbeiflug vor. Da die hochauflösende Kamera LORRI für die sehr geringen Lichtmengen bei Pluto gebaut wurde, konnte sie wegen der zu hellen Sonnenstrahlung nicht geöffnet werden, daher waren keine interessanten Bilder des Asteroiden lieferbar. Auf der normalen Kamera RALPH zeichnete sich der Asteroid lediglich als kleiner Punkt ab.

Dann wurde es interessant. Am 04.09.06 machte die Kamera LORRI die ersten Bilder von Jupiter, der noch 290 Millionen Kilometer entfernt war. Andere Instrumente wurden ebenfalls auf Jupiter gerichtet, und zwar zunächst zum Zweck der erneuten Kalibrierung. Die wissenschaftlichen Untersuchungen begannen dann im Januar 2007 und erstreckten sich über die ganze Phase des Vorbeiflugs bis Ende Juni 2007. Der eigentliche Vorbeiflug der Sonde an Jupiter in Form eines Swingby-Manövers sollte die Bahn der Sonde korrigieren, und einen hohen Geschwindigkeitszuwachs von etwa 14000km/h in Richtung Pluto bewirken. Er erfolgte im Februar 2007 in einer Entfernung von nur 2,3 Millionen Kilometer knapp außerhalb der Umlaufbahn des Mondes Kallisto (Kallisto ist der äußere der vier großen Monde des Jupiters). Die Flugbahn wurde erfolgreich in Richtung Pluto korrigiert, und die Sonde wurde durch Jupiter erfolgreich beschleunigt. Ein besonders schönes Bild von Jupiter mit dem Mond Io wurde im infraroten Licht aufgenommen (NASA), dabei hat man vermutliche s/w-Bilder der normalen Kameras mit der Farbinformation des abbildenden Infrarot-Spektrometers kombiniert. Auf Io ist oben ein Ausbruch des Vulkans Twashtar zu erkennen, den auch das zweite Bild (NASA) rechts oben zeigt. Die Sonde konnte auf Io die Infrarotstrahlung von 36 Vulkanen mit Temperaturen bis über 1000°C orten. Durch einen Mausklick lässt sich das Jupiterbild vergrößern. Jupiter und Io wurden getrennt voneinander aufgenommen, und dann zusammen in ein Bild kopiert. Der blaue Fleck ist übrigens der bekannte "Große Rote Fleck" auf Jupiter, der im sichtbaren Licht orangefarben ausschaut.

Update 2009: Die beim Vorbeiflug an Jupiter aufgezeichneten Daten wurden im Zeitraum vom 07.03.07 bis 01.06.07 zur Erde übertragen. Am Ende der Datenübertragung war die Sonde schon wieder 160 Millionen Kilometer von Jupiter entfernt. Das nächste Ziel der Sonde auf ihrem langen Weg zum Pluto wäre nun der Saturn. Die Saturnbahn wird Mitte 2008 gequert, allerdings ist der Saturn so weit vom Kreuzungspunkt entfernt, dass eine Beobachtung nicht möglich sein wird. Um Kosten zu sparen wird die Sonde bis November 2014 in einen autonomen Zustand versetzt, in dem sie ohne Anweisungen und Kontrollen von der Erde auskommt, Meldungen werden nur nach Bedarf von der Sonde abgesetzt, wenn Fehlfunktionen auftreten, und es laufen nur ganz wenige automatische Experimente an Bord. Allerdings wird man New Horizons jedes Jahr für gut zwei Monate "aufwecken" um die Instrumente zu prüfen, und die Daten der wenigen Experimente (z.B. Staubdetektor) an die Erde zu senden. Auch eine Kurskorrektur wurde Ende September 2007 in der ersten dieser "Wachperioden" durchgeführt. Ohne  diese Korrektur wäre die Sonde in 400 000km an Pluto vorbeigeflogen, jetzt geht die Bahn mitten durch das Mondsystem von Pluto. Die Ende 2005 neu entdeckten Monde des Pluto bekamen inzwischen die Namen Nix und Hydra, und wurden ebenfalls in das Beobachtungsprogramm aufgenommen. Ende Dezember 2009 (Bild rechts) war der halbe Flugweg zum Pluto erreicht, mit 2,5 Milliarden km Entfernung von der Erde rast die Sonde mit 1,2 Millionen km pro Tag dem Ziel entgegen, das noch weitere 5,5 Jahre Flugzeit entfernt ist. Das Bild rechts zeigt übrigens sehr schön die stark exzentrische Bahn von Pluto, auf der er zeitweise sogar dichter an der Sonne steht als Neptun, um dann wieder in so weite Ferne zu entschwinden, dass sogar seine Atmosphäre ausfriert, und in fester Form auf die Oberfläche des Planeten fällt. Aus diesem Grund war ja auch der Start der Mission sehr dringlich, weil später die Atmosphäre nicht mehr hätte untersucht werden können (jedenfalls nicht in den kommenden 200 Jahren).

Probleme gibt es mit relativ häufigen Fehlern im Computer, die zu einem Booten des Systems führen. Diese Fehler sind vermutlich auf kosmische Strahlung und die Strahlung der zur Stromversorgung mitgeführten RTG zurückzuführen, übersteigen aber in der Häufigkeit die erwartete Zahl der Ereignisse deutlich. Durch die ungewöhnlich geringe magnetische Aktivität der Sonne erhöht sich die Intensität der kosmischen Strahlung im Sonnensystem, was auch schon der Lunar Reconnaissance Orbiter feststellen konnte. Eventuell ist das auch eine Erklärung für die Häufigkeit dieser Vorfälle.

Weitere Informationen: Wir hoffen auf ein gutes Gelingen, und werden gegebenenfalls hier weiter berichten. Die eigentlichen Ergebnisse gibt es ja erst 2015 (falls dann diese Homepage noch existiert :-)

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