Raumsonden
Satelliten oder Sonde?
Satelliten werden für gewöhnlich jene Raumfluggeräte genannt, die in eine Umlaufbahn um die Erde eingeschossen werden. Sonden heißen dagegen jene Apparate, welche den Einflussbereich der Erdschwerkraft verlassen, um andere Himmelskörper zu untersuchen. Mittlerweile gibt es aber auch Sonden, die am Ende ihrer Reise in eine Umlaufbahn um einen Himmelskörper einschwenken und damit im Grunde genommen zu Satelliten dieses Himmelskörpers werden. Der Mars beispielsweise wird derzeit (Stand September 2006) von drei Raumsonden umkreist, die seine Oberfläche kartieren und als Relaisstationen für Daten benutzt werden, die von Robotersonden auf der Oberfläche gesendet und zur Erde weitergeleitet werden müssen.
Das Hubble-Weltraumteleskop zählt zu den Satelliten
Leicht und doch belastbar
Raumsonden sollen möglichst leicht sein, denn jedes Kilo macht den Start schwieriger, energieaufwändiger und damit teurer. Typische Werkstoffe für die tragende Struktur einer Sonde sind Titan, Aluminium und moderne Verbundwerkstoffe mit Kohlefasern, wie man sie auch aus dem Flugzeugbau kennt. Die Struktur muss nicht nur das irdische Normalgewicht der Sonde ertragen können sondern auch die Kräfte, die zusätzlich beim Start auf der Erde, bei Kursänderungen oder beim Abbremsen am Ziel auftreten. Schon beim Aufstieg in der Erdatmosphäre lastet auf der Sonde zeitweise das 5-fache ihres Gewichts. Feststoffraketen brennen zudem recht unregelmäßig ab, so dass der Flug nicht ein ruhiges Dahingleiten ist sondern eher einem Hochgeschwindigkeitsritt über Kopfsteinpflaster ähnelt, den die Sonde ohne Beschädigungen überstehen muss.
Die Steuerdüsen einer Sonde sind häufig nur wenige Zentimeter groß
Düsen für das kleine Manöver zwischendurch
Auf die Reise geschickt werden Sonden an der Spitze von leistungsstarken Raketen. Haben sie sich von diesen abgekoppelt, dann brauchen sie ein eigens Antriebssystem, mit dem sie bremsen, beschleunigen und ihre Bahn und Ausrichtung im Raum korrigieren können. Dafür haben Sonden Steuerdüsen in unterschiedlichen Größen. Die kleinsten Düsen sorgen für eine Schubkraft, die kaum mehr als ein Newton beträgt. Wer spüren möchte, wie stark dieser Schub ist: ein Newton entspricht der Kraft, die wir aufwenden müssen, um eine 100-Gramm-Tafel Schokolade auf der flachen Hand zu halten. Die Kräfte der Steuerdüsen sind bei also weitem nicht zu vergleichen mit den Urgewalten, die von den Startraketen entfaltet werden. Für die Steuerung der Raumsonde im All reichen sie aber gut aus.
New Horizons wird Pluto nur im Vorbeiflug beobachten können
Pluto-Sonde ohne Bremse
Ob er nun ein Planet ist oder laut neuer Definition nur ein Zwergplanet ? Pluto wird im Jahr 2015 Besuch von einer amerikanischen Sonde erhalten. New Horizons heißt sie, und um Pluto am Rand unseres Sonnensystems in der kurzen Zeit von neuneinhalb Jahren erreichen zu können, musste diese Sonde auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden. Dafür brauchte es eine starke Rakete für den Start und den Verzicht auf überflüssiges Gewicht an Bord der Sonde. So hat New Horizons zwar ausreichend Treibstoff dabei, um Bahn- und Lagekorrekturen durchführen zu können. Am Ziel angelangt kann New Horizons aber nicht stark genug bremsen, um von der Schwerkraft des Pluto eingefangen zu werden und in eine Umlaufbahn einzuschwenken. Mit dem für dieses Manöver notwendigen Treibstoff wäre New Horizons zu plump geworden, um sein Ziel überhaupt erreichen zu können. Die Sonde fliegt also 2015 an Pluto vorbei, was die zur Beobachtung des Zwergplaneten zur Verfügung stehende Zeit auf wenige Monate begrenzt. Danach wird New Horizons das Sonnensystem verlassen ? ein Kurs, den auch schon die Sonden Voyager 1 und 2 und Pioneer 10 und 11 nach erfolgreichen Planetenmissionen eingeschlagen haben.
Die schüsselförmige Richtstrahlantenne kann große Datenmengen übertragen
Antennen
Raumsonden haben in der Regel zwei Antennen, die unterschiedliche Zwecke erfüllen. Zum einen eine schüsselförmige Richtstrahlantenne, die sehr genau auf die Erde ausgerichtet werden kann und die zur Übertragung großer Datenmengen in kurzer Zeit geeignet ist. Allerdings kann diese Antenne nicht in jeder Flugphase der Sonde den Kontakt zur Erde herstellen. Bei Kurskorrekturen und Bremsmanövern zum Einschwenken in eine Umlaufbahn müssen die Sonden nämlich so ausgerichtet werden, dass die Steuerdüsen und nicht unbedingt die Antenne optimal positioniert sind. Für solche Flugphasen gibt es dann noch die Niedrigverstärkungsantenne, deren Signal breit gestreut abgestrahlt wird und mit der in der Regel nur sehr kleine Datenmengen übertragen werden können, die aber ausreichen, um beispielsweise die Position der Sonde feststellen zu können.
Computer und Software
Die Computer an Bord von Raumsonden erscheinen uns für irdische Verhältnisse meist gering getaktet. Die derzeit leistungsfähigsten Prozessoren im All arbeiten mit einer Taktfrequenz von 133 Megahertz - wenig im Vergleich zu den in Gigahertz zu messenden Arbeitsgeschwindigkeiten auf der Erde. Der Grund dafür ist nicht, dass auf den Sonden veraltete Technik zum Einsatz käme. Weltall-taugliche Prozessoren müssen vielmehr gegen kosmische Strahlung und starke Magnetfelder unempfindlich und außerordentlich zuverlässig sein. Diese Anforderungen erfüllen derzeit nur Prozessoren mit, im Vergleich zur Spitzengruppe, relativ niedrigen Taktraten.
Uwe Gradwohl, Stand vom 01.06.2009
