Recht behalten, aber zu spät

22. Juni 2011 von Michael Khan in Kometen, Raumfahrt

Auslese 2011 Die Mission Giotto zum Kometen 1P/Halley war vor 25 Jahren die erste interplanetare Raumsonde der ESA und sie war ein echter Knaller. Nach dem geglückten Halley-Vorbeiflug konnte man sogar noch eins draufsetzen. Da noch so viel Treibstoff übrig und die Sonde technisch funktionstüchtig geblieben war, schickte man sie nach einem Erdvorbeiflug an einem weiteren Kometen vorbei. 26P/Grigg-Skjellerup wurde am 10. Juli 1992 in nur 200 km Entfernung passiert.

Danach waren immer noch rund 15 kg Treibstoff in den Tanks der weiterhin funktioniererenden Sonde. Grigg-Skjellerup war kein besonders aktiver Komet und die nahe Begegnung hatte keine nennenswerten weiteren Schäden am Raumfahrzeug verursacht. Die Kamera war ja ohnehin schon seit der unsanften Begegnung mit Halley-Staubkörnern unbrauchbar. Vielleicht waren sogar noch mehr als 15 kg Sprit übrig. Üblicherweise ist die Berechnung des verbrauchten Treibstoffs konservativ, also pessimistisch.

Zwei junge Ingenieure am Kontrollzentrum ESOC in Darmstadt überlegten sich, was man nun mit dem Raumfahrzeug und seinem verbleibenden Treibstoff anfangen könnte. Die Giotto-Sonde hatte sich mit ihrem wissenschaftlichen Programm doch gerade erst warm gelaufen. Da wäre es doch schade, sie einfach abzuschalten. Man sollte sie lieber das machen lassen, wofür sie gebaut war: Kometen zu untersuchen!

15 Kilo Treibstoff - ganz nett, aber lange nicht ausreichend, um die Bahn der Sonde nennenswert zu verändern, um sie direkt zu einem anderen Kometen umzulenken. Es sei denn, man könnte noch einen zweiten Swingby an der Erde hinlegen. Einen ersten hatte Giotto ja schon 1990 absolviert. Der hatte sie auf Kurs Richtung Grigg-Skjellerup gebracht.

Als die Jungs sich die Bahn genau anschauten, stellten sie fest, dass diese eine 41:46-Resonanz mit der Erde aufwies. Das heißt, wenn man gar nichts weiter unternommen hätte, wäre Giotto nach 41 eigenen Bahnumläufen wieder der Erde nahe gekommen. Die Erde hätte bis dahin 46 Umläufe auf ihrer Bahn zurückgelegt. 46 Jahre nach dem Swingby von 1990: das wäre also im Jahre 2036. Dann könnte man fast ohne Treibstoffverbrauch einen gezielten Swingby an der Erde durchführen und dadurch ein paar Jahre später, also um das Jahr 2040 herum, einem anderen Kometen begegnen.

Schön und gut, aber dass die Sonde, die ja eigentlich nur dafür ausgelegt war, von ihrem Start im Juli 1985 bis zur Halley-Begegnung im März 1986 zu halten (also weniger als ein Jahr), nun bis 2040 durchhalten würde (d.h., mehr als 50 Jahre), war wohl extrem unwahrscheinlich. Damit war die Nutzung der 41:46-Resonanz vom Tisch.

Aber Ingenieure geben so schnell nicht auf. 41:46 ergibt fast dasselbe wie 8:9. Das bedeutet, dass Giotto 8 Umläufe nach seinem Erdvorbeiflug von 1990 wieder der Erde begegnen könnte, die dann genau 9 Umläufe (= 9 Jahre) zurückgelegt haben würde. Also wäre der Erdswingby schon 1999 möglich, nicht erst 2036.

Man musste allerdings Giottos Bahn anpassen, um wirklich 1999 der Erde zu begegnen. Die Frage war nur, ob die erforderliche Änderung mit den 15 kg Treibstoff machbar war, und siehe da: Berechnungen ergaben, dass es reichen würde! Die erforderlichen Manöver würden etwa 11 kg Treibstoff kosten. Das ließ noch 4 kg für Korrekturmanöver und die Lageregelung übrig. Mit Glück etwas mehr. Knapp, aber nicht ausgeschlossen. Damit konnte man etwas anfangen.

Nachdem die Jungs nun wussten, dass sie 1999 die Erde erreichen konnten, machten sie sich flugs daran, zu eruieren, welche Kometen durch einen Erd-Swingby erreichbar wären, ohne dass sich die erforderliche Flugdauer allzu weit in die Länge zog. Sie fanden 9 mögliche Optionen zu 8 verschiedenen Kometen. Die Begegnungen lagen im Zeitraum zwischen 2001 und 2011, also 2 bis 12 Jahre nach dem zweiten Erd-Swingby. Es gab Unterschiede zwischen den diversen Optionen. Die attraktivste war die zum Kometen 73P/Schwassmann-Wachmann 3 mit Ankunft im Mai 2006, weitere gute Kandidaten waren 72/Denning-Fujikawa (Juli 2005) und 21P/Giacobini-Zinner (Juni 2005).

Mai 2006 war immerhin auch schon 21 Jahre nach dem Start. Sicher eine lange Zeit, aber vielleicht nicht komplett absurd, wie 50 Jahre oder mehr es gewesen wären. Der Plan, den die zwei Ingenieure entwickelten, sah vor, dass möglichst bald das Manöver zum Anpassen der Bahnperiode durchgeführt würde. Der optimale Zeitpunkt dafür war der 15. September 1992. Danach sollte die Sonde bis 1999 in eine Art Standby-Modus geschaltet werden - in der Raumfahrt spricht man von Hibernation. Auch die aktuelle ESA-Kometensonde Rosetta ist gerade in Winterschlaf versetzt worden, in dem sie bis Januar 2014 verharren wird.

Von März 1999 bis nach dem Erd-Swingby im Juli 1999 wäre Giotto geweckt worden und hätte noch weitere Korrekturmanöver durchgeführt. Danach hätte man sie wieder bis Anfang 2006 in den Winterschlaf versetzt, um dann die Vorbereitungen für die Begegnung mit Schwassmann-Wachmann 3 zu beginnen, falls es gelungen wäre, Giotto wieder wach zu bekommen. Und wenn nicht, dann wäre der Versuch der Missionsverlängerung immer noch ein lehrreiches technisches Experiment gewesen.

Der Vorschlag wurde höheren Stellen unterbreitet und stieß bei den unmittelbaren Vorgesetzten der beiden auf wohlwollendes Interesse - höher in der Hierarchie aber auf deutlich weniger. Am Ende erfolgte dort die Ablehnung. Den anfallenden Zusatzkosten stünde keine ausreichende Erfolgswahrscheinlichkeit gegenüber. Es wären Kosten für Personal - einige Flugdynamiker, einige Kontrolleure - angefallen und Nutzungskosten für Bodenstationen. Angesichts der Missionsdauer und der Treibstoffsituation war die Erfolgswahrscheinlichkeit wirklich nicht allzu hoch; sicher geringer als die Chance des Fehlschlags. Zudem hatte ja Giotto schon zwei Kometen besucht. Würde man an einem dritten noch nennenswert Neues dazulernen?

Aber die Kosten wären durchaus überschaubar geblieben, denn sie wären nur während der Operationen außerhalb der Hibernationszeiten aufgelaufen. Während Giotto im Winterschlaf gelegen hätte, wären sowohl Personal als auch Bodenstationen anderen Projekten zugeteilt worden, sie hätten deswegen auch keine Stunden auf das Giotto-Projekt gebucht. Auch eine positive Entscheidung wäre durchaus vertretbar gewesen.

Wie auch immer, die Klappe fiel, die Giotto-Operationen wurden beendet. Man wollte damit nicht einmal bis Mitte September 1992 warten, dem optimalen Zeitpunkt für das Korrekturmanöver. Das war's - zumindest für Giotto.

Das Zielobjekt, Komet 73P/Schwassmann-Wachmann 3 scheint sich allerdings über seine Einstufung als uninteressanter Allerweltskomet geärgert zu haben. Schon bei seinem nächsten Periheldurchlauf im September 1995 - drei Jahre nach Beendigung von Giotto - stellten die Astronomen fest, dass er begonnen hatte, sich in große Bruchstücke zu zerlegen. Bei den folgenden Periheldurchgängen im Januar 2011 und im Mai 2006 (also dann, wenn Giotto dort angekommen wäre) wurde jeweils eine fortschreitende Fragmentierung festgestellt. Schwassmann-Wachmann 3 hat sich in ein langgestrecktes, auseinandergezogenes Trümmerfeld verwandelt. Der nächste Periheldurchgang wird im Oktober 2011 stattfinden.

Die fortschreitende Fragmentierung bedeutet eine sprunghafte Steigerung der Aktivität mit reichlicher Freisetzung von pristinem Material, das noch nicht durch lange Einwirkung von Sonnenstrahlung verändert worden ist. Genau solches Material interessiert die Planetologen am meisten, da es sich um weitgehend unverändert erhaltene Materie aus der Zeit der Bildung des Sonnensystems vor 4.6 Milliarden Jahren handelt.

Ecliptic trajectyory projection of comet 73P/Schwassmann-Wachmann 3, source: Michael KhanHätte man 1992 schon gewusst, was mit 73P/Schwassmann-Wachmann 3 passieren würde, wäre die Entscheidung über die Verlängerung der Giotto-Mission wahrscheinlich anders ausgefallen. Aber bekanntlich sind Voraussagen immer dann besonders schwierig, wenn sie die Zukunft betreffen, also kann man hier wirklich niemandem einen Vorwurf machen.

Warum bin ich so gut über diese Ereignisse im Sommer 1992 informiert? Immerhin liegt das alles nun schon 19 Jahre zurück.

Nun, einer der beiden jungen Ingenieure war ich.

Weitere Information

M. Khan, M. Walker: On Possibilities for a Follow-Up to the Giotto-Extended-Mission GEM, OAD Working Paper 468, Juli 1992 - das technische Dokument, in dem der Vorschlag zur zweiten Missionsverlängerung beschrieben wurde.

Kosmologs-Artikel "Tunguska - Wer war der Übeltäter?" vom 6. Juli 2009. In diesem Blog-Artikel werden weitere Konsequenzen einer Kometenfragmentierung beschrieben.


8 Kommentare zu “Recht behalten, aber zu spät”

  1. Jan Hattenbach Antworten | Permalink

    Tolle Geschichte - danke!

    Tja, schade, dass eure Idee von damals begraben wurde. Das wäre doch was gewesen, hätten wir 2006 Giotto zur Stelle gehabt...

    Wieder einmal zeigt sich, dass wer nicht wagt und ein paar k€ auszugeben bereit ist, verliert - in jedem Fall. Und damit meine ich nicht die beiden jungen Ingenieure, sondern die "hohen Herren" in der Hierarche. Wie kommt man eigentlich da hin, durch nachgewiesenes Expertentum in Bedenkenträgerei?

    [Antwort: Ich versuche hier ganz neutral zu bleiben. Immerhin bin ich ja nicht ganz unparteiisch. Also, man kann nicht in Abrede stellen, dass die Leute damals noch nicht wussten, was wir heute über diesen Kometen wissen. Das zum einen. Zum anderen erscheint mir die damals gefallene Entscheidung in der Tat - so sehr ich mir auch Mühe gebe, das kann ich nicht in Abrede stellen - etwas kleinlich.

    Was ich als Entscheider damals gemacht hätte? Alles, was gerade nicht unbedingt gebraucht wurde (d.h., die komplette Wissenschaft an Bord), vorübergehend abschalten und den Rest bis Mitte September 1992 weiter betreiben, wenn es sein muss, mit reduzierter Mannschaft. Es war immerhin schon Juli, die 2 Monate mehr hätten auch keinen arm gemacht. Dann ab in die Hibernation und Anfang 1999 weiter sehen. Wenn die Kiste da nicht mehr aufgewacht oder nicht mehr besonders gesund gewesen wäre, gut, dann wär's das halt gewesen. Naja, was soll's. Schnee von gestern. Ich gebe offen zu, damals war ich richtig enttäuscht. MK]

  2. Gerhard Holtkamp Antworten | Permalink

    Software Portierung

    Um Giotto weitere 10 oder 15 Jahre am Leben zu erhalten, hätte man vermutlich die dafür verwendete Bodenkontroll-Software auf das neuere später beim ESOC verwendete System portieren müssen. Wieviel das gekostet hätte, weiss ich allerdings nicht. Natürlich ist es im Licht der weiteren Entwicklung des Kometen SW3 bedauerlich, dass kein Versuch der Verlängerung mehr durchgeführt wurde.

    Wie ist das eigentlich (System-seitig) bei den Voyager-Sonden, die ja immer noch, Jahrzehnte nach ihrem Start, betrieben werden?

    Immerhin hast Du damals als junger Ingenieur gleich eine wertevolle Lektion gelernt: Nicht alle Projekte, die man studiert, werden auch ausgeführt! (Wie ist eigentlich bei Dir als Missionsanalytiker das Verhältnis von Projektenstudien zu tatsächlichen Missionen?)

  3. Carolin Liefke Antworten | Permalink

    Was wurde denn aus Giotto?

    Tja, wenn man das gewußt hätte... Das ist tatsächlich ein Fall von verpaßter Gelegenheit, über den man sich schon ärgern kann. Zumindest schade ist es auf jeden Fall. Es wäre wirklich hochinteressant gewesen, mehr über die Zusammensetzung der kleinen Fragmente zu wissen, die beim Zerfall der großen Bruchstücke entstanden sind. Immerhin ist das Material, das dabei freigesetzt wurde, direkt aus dem Inneren der Bruchstücke gewesen.

    Wie ist es denn eigentlich mit Giotto weitergegangen? Hat man die Sonde einfach soabgeschaltet und sie kommt tatsächlich 2036 (ausgerechnet, siehe Apophis) wieder in unsere Nähe? Wäre es möglich, sie dann (oder noch früher) wieder zu aktivieren, zumindest um einfach nur zu sehen, ob sie noch funktioniert?

    Heute scheint man für solche Verlängerungen ja mehr übrig zu haben, gerade bei den Kometenmissionen. Oder hatte man EPOXI und Stardust-NeXT schon heimlich in der Hinterhand als Deep Impact und Stardust gestartet sind?

    PS. Ich hatte dich übrigens bis zum Lesen deines Giotto-Artikels im März für jünger gehalten :-)

  4. Horst Arndt Antworten | Permalink

    Helikopterperspektive

    Damit meine ich, sehr geehrter Herr Khan, mein Beobachten und Lesen auf Kosmologs, für die Dimensionen der Astronomie ein Nichts. Mir macht Ihr Engagement, aber auch das Ihrer KollegenInnen, richtig viel Freude und wie Ihre KollegenInnen dabei mitmachen. Das möchte ich mal sagen. Weiter so.

    Horst Arndt

  5. Michael Khan Antworten | Permalink

    @Gerhard und Carolin

    @Gerhard: Wie das bei den Voyagers war, weiß ich nicht, aber die ESA hat später Erfahrung mit Missionsverlängerungen geammelt, die Portierungen der Software erforderlich machten, beispielsweise ERS-2 und Ulysses. (Mit den 80er-Jahre VAXes, mit denen wir damals die erste Missionsphase gesteuert haben, war 15 Jahre später nun kein Blumentopf mehr zu gewinnen.) Mal abgesehen von Wartung und Ersatzteilen. Jegliche Erfahrung mit Giotto wäre da hilfreich gewesen - im Sinne eines technischen Experiments.

    Über den Prozentsatz der tatsächlich realisierten Missionen unter den Projekten, an denen ich in der frühesten Studienphase beteiligt war. möchte ich lieber nicht nachdenken. Wenn ich es recht bedenke, ist die Anzahl ungefähr Null .... Nein, sie ist genau Null.

    @Carolin:

    Wir haben tatsächlich noch kurz nach der Entscheidung, den Swingby 1999 nicht zu versuchen, ein Manöver gemacht, um wenigstens den Erdvorbeiflugabstand 1999 zu minimieren, und dann die Sonde so orientiert, wie es für die Hibernation erforderlich ist. Mir ist nicht bekannt, dass 1999 noch jemand versucht hätte, Kontakt aufzunehmen. Das wäre auch nicht wirklich simvoll gewesen. Ein Swingby war eh nicht mehr drin.

    Raumsonden werden nicht abgeschaltet, das ist gar nicht vorgesehen. Man deaktiviert alle Komponenten, die man nicht mehr braucht und redet einfach nie wieder mit ihnen. So auch hier. Ich habe noch irgendwo den Ausdruck der letzten empfangenen Telemetrie.

    Übrigens war ich wahrscheinlich selbst zum Zeitpunkt, an dem sich die obige Geschichte abspielt, schon älter, als du heute bist. :-)

  6. Dipl.-Ing. Jörg Woker Antworten | Permalink

    Der Blick in die Zukunft

    Was gäbe man dafür? Einmal in die Zukunft blicken. Nur der Flachgeist würde nach den Lottozahlen am kommenden Samstag schielen - nein, eben die 19 Jahre ...

    Nun denn, man muss sich um Giotto keinesfalls schämen, im Gegenteil. Aber man hätte es den damals jungen Ingenieuren gewünscht, dass sich bei den Verantwortlichen die Vision für einen Sekundenbruchteil gezeigt hätte. - Nun denn, es ist wie es ist. Aber in der Zukunft ...

  7. Marius Antworten | Permalink

    Déjà-vu

    Bei der Deep Impact Mission sieht es nach erfolgreicher Mission mit anschliessender Verlängerung ganz ähnlich aus: Fast kein Treibstoff mehr, engagierte Ingenieure machen sich für eine weitere Missionsverlängerung zu einem neuen Kometen stark und die Nasa möchte eigentlich kein Budget mehr für diese "fertige" Mission bereitstellen.

    Nun, ich bin gespannt, wie die Sache weitergeht. Zumindest wurde eine Flugbahnänderung genehmigt, um sich die Option offen zu halten, da sind die Entscheider denen der ESA von damals voraus.

    Artikel: http://spaceflightnow.com/news/n1112/17deepimpact/

    Frage an Michael:
    Wieso baut man üblicherweise keine "Tankuhr" in eine Raumsonde ein, um die tatsächliche Menge an restlichem Treibstoff genau zu kennen, statt sie nur abzuschätzen?

    Marius

  8. Michael Khan Antworten | Permalink

    @Marius

    Ja, die Entscheidung fur eine mögliche Add-On-Mission für EPOXI wird spannend. Es gibt gute Gründe für oder wider.

    Auf welchem physikalischen Prozess sollte denn eine "Tankuhr" bei einer Raumsonde aufsetzen, damit sie zuverlässiger funktioniert als die heute übliche Buchhaltung der Triebwerksmanöver?

    Bei Giotto war die Buchhaltung noch relativ ungenau, weil das Haupttriebwerk mit katalytisch zersetztem Hydrazin funktionierte anstatt mit einer einem Brennstoff und einem Oxidator, die miteinander in der Brennkammer chemisch reagieren. Bei modernen Raumsonde ist die Buchhaltung viel präziser.

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