1 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Willibald Riedler Graz, 3. Oktober 2003 Raumsonde Cassini/Huygens: Auf dem Weg zu Saturn und Titan Institut für Weltraumforschung

1Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003

Willibald RiedlerGraz, 3. Oktober 2003

Raumsonde Raumsonde Cassini/Huygens:Cassini/Huygens:

Auf dem Weg zu Saturn und Auf dem Weg zu Saturn und TitanTitan

Institut für WeltraInstitut für WeltraumforschungumforschungÖsterreichische AkadeÖsterreichische Akademie der Wissenschamie der Wissenschaftenften


Beginn der experimentellen Beginn der experimentellen Weltraumforschung in ÖsterreichWeltraumforschung in Österreich

Start der ersten in Graz gebauten Messgeräte am 26. November 1969

Institut für Nachrichtentechnik und Wellenausbreitung der Technischen Hochschule (bzw. Technischen Universität) Graz

Andøya, Norwegen


Institut für Weltraumforschung (IWF)Institut für Weltraumforschung (IWF)Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)

1972 – 1983 Direktor: Prof. Otto Burkard Stellvertreter: Prof. Willibald Riedler

Seit 2001 Direktor: Prof. Hans Sünkel Stellvertreter: Prof. Helmut O.

Rucker >70 Mitarbeiter neuer Standort in Graz-Messendorf:

ÖAW-Forschungszentrum GrazSchmiedlstraße 6

1984 - 2000 Direktor: Prof. Willibald Riedler Stellvertreter: Prof. Siegfried

Bauer, Prof. Hans Sünkel (ab 1999)


Physik des erdnahen WeltraumsLeiter: Prof. Helmut O. Rucker (seit 1999) Magnetosphärenphysik Atmosphärenphysik Kometen/Oberflächen

SatellitengeodäsieLeiter: Prof. Hans Sünkel (seit

1990) Erdschwerefeld SLR–Technologie GPS-Meteorologie

ForschungsschwerpunkteForschungsschwerpunkteExperimentelle WeltraumforschungLeiter: Prof. Wolfgang Baumjohann (seit 2001) Entwicklung und Bau von Satellitenexperimenten Datenauswertung und Forschung in der

Weltraumplasmaphysik


Abgeschlossene MissionenAbgeschlossene Missionen

Mission Land/Agentur Ziel Start Venera 13/14 SU Venus 1981Spacelab ESA Physik/Technologie 1983Vega 1/2 SU Venus, Komet Halley 1984Phobos 1/2 SU Mars 1988Austromir SU Physik/Techn./Medizin 1991Mars 96 SU Mars 1996Interball SU Erdmagnetosphäre 1996Mars Global Surveyor USA Mars 1996Equator-S BRD Erdmagnetosphäre 1997


Laufende/Zukünftige MissionenLaufende/Zukünftige MissionenMission Agentur Ziel StartCassini/Huygens NASA/ESA Saturn, Titan 1997Cluster ESA Erdmagnetosphäre 2000Mars Express ESA Mars 2003DoubleStar CNSA/ESA Erdmagnetosphäre 2003Rosetta ESA Komet Churyumov-Gerasimenko 2004COROT CNES Astronomie 2005Venus Express ESA Venus 2005GOCE ESA Erdschwerefeld 2006Dawn NASA Asteroiden Vesta & Ceres 2006THEMIS NASA Erdmagnetosphäre 2006Netlander CNES Mars 2009BepiColombo ESA/ISAS Merkur 2011Solar Orbiter ESA Sonne 2012


SonnensystemSonnensystem1 Merkur

K

123

45

6

7

8

9 2 Venus

3 Erde

4 Mars

5 Jupiter

6 Saturn

7 Uranus

8 Neptun

9 Pluto


GrößenvergleicheGrößenvergleiche

Voyager-Sonden der NASA

Sonne

Merkur

Venus

Erde

Erdmond

MarsKallisto

Ganymed

Europa

Io

Amalthea

Jupiter


SaturnSaturn mittlerer Abstand von der

Sonne: 1.427 Mio. km Dauer des Saturnjahres:

29,5 Erdjahre Dauer des Saturntages: 10h 39m

nach Jupiter zweitgrößter Planet im Sonnensystem

Durchmesser: 120.536 km Masse: 95,2 Erdmassen Oberflächentemperatur: -180 °C Atmosphäre aus ca. 75% H,

25% He und anderen Gasen Ringsystem bestehend aus

Staub und Brocken (Stein und Eis)

18 bekannte Monde


Magnetosphären im SonnensystemMagnetosphären im Sonnensystem

Jupiter (Hubble ST)

Saturn (Hubble ST)


SaturnmondeSaturnmonde

EntfernungRadius EntfernungRadiusMond (000 km) (km) EntdeckerJahr Mond (000 km) (km) EntdeckerJahrPan 134 10 Showalter 1990 Telesto 295 15 Reitsema 1980Atlas 138 14 Terrile 1980 Calypso 295 13 Pascu 1980Prometheus139 46 Collins 1980 Dione 377 560 Cassini 1684Pandora 142 46 Collins 1980 Helene 377 16 Laques 1980Epimetheus 151 57 Walker 1980 Rhea 527 765 Cassini 1672Janus 151 89 Dollfus 1966 Titan 1222 2575 Huygens 1655Mimas 186 196 Herschel 1789 Hyperion 1481 143 Bond 1848Enceladus 238 260 Herschel 1789 Iapetus 3561 730 Cassini 1671Tethys 295 530 Cassini 1684 Phoebe 12952 110 Pickering 1898

Titan 1222 2575 Huygens 1655


TitanTitan

größter Mond des Saturn

Entfernung zu Saturn: 1,22 Mio. km

Durchmesser: 5.150 km Masse: 1,35•1023 kg

(2,3 % der Erdmasse) Oberflächentemperatur: -167

°C dichte Atmosphäre

(Stickstoff, Argon, Methan, Spuren komplexerer Moleküle)

Erde

Mond

Titan

zweitgrößter Mond im Sonnensystem


Giovanni Domenico CassiniGiovanni Domenico Cassini französischer Astronom

italienischer Herkunft erster Direktor der Pariser

Sternwarte

Nizza, 1625 – Paris, 1712

bestimmte die Rotations-perioden von Mars, Venus und Jupiter

entdeckte 4 Monde des Saturns (Tethys, Dione, Rhea and Iapetus), eine Teilung des Saturnrings (Cassini,sche Teilung) u.a.


Christiaan HuygensChristiaan Huygens

entdeckte die Ringe des Planeten Saturn und 1655 seinen größten Mond, Titan

erklärte das Licht als eine Wellenbewegung

fand die Gesetze des elastischen Stoßes und der Fliehkraft

Erfinder der Pendeluhr erklärte die Doppelbrechung

Den Haag, 1629 - 1695

niederländischer Physiker und Astronom


Raumsonde Cassini/HuygensRaumsonde Cassini/Huygens Orbiter (= Cassini) wird

Saturn ab 1.7.2004 (Erreichen der Saturn-Umlaufbahn) umkreisen (Missionsende: 1.7.2008).

Landesonde (= Huygens) wird am Saturnmond Titan abgesetzt

Abmessungen (b x h): 4 m x 6,8 m

Masse - Orbiter: 2.125 kg Masse - Treibstoff: 3.267 kg Masse – Landesonde: 320 kg Wissenschaftliche

Instrumente: 12 (Cassini) + 6 (Huygens)


Instrumente auf CassiniInstrumente auf Cassini Titan Radar Mapper (RADAR) Imaging Science Subsystem

(ISS) Radio Science Subsystem

(RSS) Visible and Infrared Mapping

Spectrometer (VIMS) Composite Infrared

Spectrometer (CIRS) Cosmic Dust Analyser (CDA) Radio and Plasma Wave

Science (RPWS) Ultraviolet Imaging

Spectrograph (UVIS) Magnetospheric Imaging

Instrument (MIMI) Dual Technique

Magnetometer (MAG) Ion and Neutral Mass

Spectrometer (INMS) Plasma Spectrometer (CAPS)


RPWSRPWS

IWF-Beitrag: Antennenkalibrierung des

Antennensystems mittels experimenteller Technik der

Rheometrie numerischer Computersimulation

mittels Drahtgittermodellen In-Flight-Calibration: Vorbeiflug an

Jupiter zur Jahreswende 2000/2001

Radio and Plasma Wave Science

Erforschung der Radioemission des Planeten Saturn

Rückschlüsse auf physikalische Vorgänge im Saturnsystem, insbesondere in der hohen Atmosphäre (z.B. Blitzentladungen) und in der Magnetosphäre des Saturn


Landesonde HuygensLandesonde Huygens

Gewicht: 320 kg, davon 48 kg Nutzlast

Durchmesser: 2,7 m

europäischer Teil der Raumsonde Cassini/Huygens

erste direkte (in-situ) Messungen in der Atmosphäre des Saturnmondes Titan, deren Zusammensetzung ähnlich jener der Erde in Urzeiten vermutet wird

u.a. eventueller Nachweis von Blitzen, die vielleicht für die Entwicklung organischer Moleküle verantwortlich sind


Instrumente auf HuygensInstrumente auf Huygens1. Huygens Atmospheric Structure

Instrument (HASI): physikalisches Profil der Titanatmosphäre

Oberseite

Unterseite

4. Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR): Struktur der Atmosphäre und Oberflächenbilder

5. Doppler Wind Experiment (DWE): Windmessungen

6. Surface Science Package (SSP): Zusammensetzung der Oberfläche des Titan

3. Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP): Sammeln und Erhitzen von Aerosolen

2. Gas Chromatograph Mass Spectrometer (GCMS): chemisches Profil der Atmosphäre


ACPACP Sammlung flüssiger und fester

Teilchen bzw. Tröpfchen (Aerosole) der Atmosphäre in einem Filter

Dreistufige Erhitzung des Filters in einem miniaturisierten Ofen

Weiterleitung der entstehenden Gasprodukte an ein Massen-spektrometer (GCMS) zur chemischen Analyse

Französisch-österreichische Kooperation

IWF-Beitrag: Leitung der Entwicklung

der Elektronik und Software Aerosol Collector and Pyrolyser


ACPACP

2. Filter wird in den Ofen geschoben und in drei Stufen erhitzt25°C, 400°C, 600°C

1. Titanatmosphäre wird mittels Pumpe durch Filter gesaugt

3. Jeweils entstehende Gasprodukte werden mit Stickstoff in das Analysegerät (GCMS) geblasen

23

1


GCMSGCMS Instrument zur chemischen

Analyse der Titanatmosphäre Identifikation von Atmosphären-

bestandteilen bis zu einem Molekulargewicht von 146

Aufschluss über Entstehungs-geschichte des Titan und Temperaturverteilung der Titan-atmosphäre unter Berücksichti-gung der Aerosolkonzentration

Kenntnisse über die Bildung komplexer organischer Moleküle

Aufschluss über das Teilchen- und Strahlungsverhalten im frühen Sonnensystem

Gas Chromatograph Mass Spectrometer


HASIHASI multifunktionelles Instrument

zur Bestimmung elektrischer Messgrößen, sowie von Temperatur, Druck und Beschleunigung in der Titanatmosphäre

Untersuchung des Auftretens von Blitzen und Donner

Abtastung der Titanober-fläche mittels Radar

Huygens Atmospheric Structure Instrument

IWF-Beitrag: Mitarbeit bei Entwicklung und Bau der

digitalen Signalprozessoreinheit zur Steuerung von fünf Messgeräten, Verarbeitung der Daten und Übertragung zum zentralen Bordcomputer


Mission Cassini/HuygensMission Cassini/Huygens Start: 15. (bzw. 16. MEZ)

Oktober1997, Cape Canaveral, USA viermaliges Schwungholen an

Venus (2 x), Erde und Jupiter zurückzulegende Strecke: 3,2 Mrd. km Ankunft am Saturn: 1. Juli 2004 Trennung von Cassini und Huygens:

25. Dezember 2004 Landung der Sonde Huygens:

14. Januar 2005 Dauer der Landesequenz: 2 – 2,5 h Messungen auf der Oberfläche des

Titan: 3 - 30 min. Missionsdauer von Cassini: 4 Jahre

ESA-Beitrag: ~ 287 Mio. €


Start Cassini/HuygensStart Cassini/Huygens

15. (16.) Oktober 1997Cape Canaveral

Raketentyp: Titan IV B / Centaur


SaturnbahnJupiterbahn

Erdbahn

Venusbahn

Flugbahn Cassini/HuygensFlugbahn Cassini/Huygens

1. Schwungholen an der Venus27. April 1998

2. Schwungholenan der Venus24. Juni 1999

3. Schwungholen an der Erde18. August 1999

Start15. (16.) Oktober 1997

4. Schwungholen am Jupiter30. Dezember 2000

Ankunft am Saturn1. Juli 2004

Kurskorrektur3. Dezember 1998

VVEJGA


KommunikationsproblemeKommunikationsprobleme 3. Februar 2000: Routine in-flight Test zur Überprüfung des

Cassini/Huygens Radio Links Huygens Receiver Teil (auf Cassini) reagiert bei simuliertem Huygens-

Signal mit Doppler-Frequenzverschiebung nicht vorschriftgemäß

Bei derzeitig geplantem Missions-Szenario Verlust von 70% der von Huygens zu Cassini gesendeten Daten!

Januar 2001: Zusammensetzung einer ESA/NASA Task Force (Huygens Recovery Task Force) zur Analyse und Behebung des Problems

Schlussfolgerung nach 6 Monaten Arbeit: Problem ist ein Designfehler im Huygens Receiver Teil Entwurf einer neuen Cassini/Huygens-Missionsgeometrie

zur Reduktion der Relativgeschwindigkeit notwendig Neue Geometrie verlangt den Verbrauch zusätzlicher

Cassini-Treibstoffreserven, aber sichert alle Daten der Huygens-Mission


Aufnahme der Raumsonde Cassini

vom 12. Dezember 2000:

JupitervorbeiflugJupitervorbeiflug 30. Dezember 2000:

„Millenium Flyby“ Abstand zwischen Cassini

und Jupiter: 19,5 Mio. km größte Annäherung an Jupiter:

ca. 9,7 Mio. km

1. Januar 2001:RPWS empfängt Jupiter-

Radiowellen

Jupitermond Io und sein Schatten


Erforschung des TitanErforschung des Titan

PSE (Probe Support Equipment) an Bord von Cassini beobachtet die Landesonde und erfasst die Daten während des Abstiegs zum Titan

25. Dezember 2004: Trennung der Landesonde Huygens vom Orbiter Cassini

14. Januar 2005: 45 Minuten vor Eintritt in die Titan-Atmosphäre Aktivierung des elektrischen Systems der Landesonde Huygens

2,5-stündiger Abstieg zur Oberfläche des Titan


Annäherung an TitanAnnäherung an Titan Huygens tritt mit

22.000 km/h in die Titanatmosphäre ein

Instrumente durch Hitzeschild geschützt

Pilot-Fallschirm (2,5 m ) öffnet sich in 180 km Höhe

Brems-Fallschirm (8 m ) öffnet sich in 165 km Höhe

Absprengen des Hitzeschilds

Stabilisierungs-Fallschirm (3 m ) entfaltet sich in 125 km Höhe


TitanatmosphäreTitanatmosphäre Raumsonde Voyager hat

eine Atmosphäredichte von 1.496 mbar gemessen (Erde: 1.013 mbar)

Hauptbestandteile: Stickstoff und Methan

durch komplexe Photo-chemie entstehen zahlreiche organische Verbindungen

Nebelschleier bestehend aus H-, C-, N-Verbindungen in ca. 70 km Höhe

Aerosole (kondensierte polymerisierte chemische Verbindungen) bis in Höhen von 500 km

Hypothese: Ozean aus Ethan und Methan


Landung auf TitanLandung auf Titan

nach ca. 2,5 h setzt Huygens mit ca. 20 km/h auf der Titanoberfläche auf

raue Bedingungen am Titan: Temperaturen bis –200 °C, orkan-artige Winde

Lebensdauer der Elektronik: einige Minuten

rasche Untersuchung des Bodens


Flugbahn Cassini/HuygensFlugbahn Cassini/Huygens


2005: Huygens auf Titan2005: Huygens auf Titan


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!



Neue vs. alte MissionNeue vs. alte Mission

60000 km

~72000 km

Old Probe/Orbiter TrajectoryFly-By Alt = 1200 kmBOM Dist = 77000 kmEOM Dist = 27000 kmPAA 40o

Vrel 5.6 km/s

New Orbiter Trajectory

Vrel 0.8 km/s

PAA 75o

Vrel 3.8 km/s

PAA 25o

Titan

Cassini @ Probe Entry

Cassini @ Probe Touch-down

Cassini @ Probe Entry

Cassini @ Probe Touch-down

Old Probe Trajectory

New Probe Trajectory

Neue Cassini-Bahn Alte Cassini-Bahn



Documents

1 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Willibald Riedler Graz, 3. Oktober 2003 Raumsonde Cassini/Huygens: Auf dem Weg zu Saturn und Titan Institut für Weltraumforschung