Raumfahrt: Mondsüchtig

In Kürze startet die erste europäische Mission zum Mond. Mit spezieller Analytik soll unter anderem die Entstehungsgeschichte des Erdtrabanten enträtselt werden. Ein österreichischer Spitzenforscher ist maßgeblich an dem Projekt beteiligt.

Bernard Foing fühlt sich ein wenig wie ein Anhalter durch die Galaxis. Der Chefwissenschafter der SMART-1- Mission der europäischen Raumfahrtagentur ESA hatte seinen Satelliten bereits im März dieses Jahres für den Abflug bereitgemacht. Die Konstruktion sollte huckepack mit einer Ariane-5-Trägerrakete abheben. Doch im Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana waren noch ein paar Satelliten davor in der Warteschlange gereiht. "Auch mussten wir auf Kunden mit größeren Satelliten warten, an die wir uns dann als Zusatzpassagier anhängen konnten, um die Kosten für den Start niedrig zu halten", erklärt Foing.

So verzögerte sich der Start mehrmals, aber am 4. September um exakt 1.04 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit soll der ESA-Flug 162 endlich starten. Gemeinsam mit zwei kommerziellen Satelliten wird SMART 1 in die Erdumlaufbahn geschossen. Dies ist der Beginn einer Reise, die insgesamt mehr als zwei Jahre dauern soll. 34 Jahre nachdem Neil Armstrong die ersten Schritte auf den Mond setzte, macht sich nun die europäische Raumfahrt erstmals in diese Richtung auf.

Kostspielige Mammutprojekte sind in der Raumfahrt allerdings immer schwerer durchzusetzen. "Faster, cheaper, better" hat sich die NASA auf die Fahnen geschrieben, und auch ihr europäisches Pendant, die ESA, macht sich diese Philosophie zu Eigen. Vergleichsweise bescheidene 101 Millionen Euro hat die Entwicklung von SMART 1 gekostet. Die Vorgabe "schneller" bezieht sich freilich nicht auf die Geschwindigkeit der Raumfahrzeuge, sondern auf das Entwicklungstempo neuer Technologien. Von der Auftragserteilung bis zur Fertigstellung von SMART 1 vergingen weniger als drei Jahre. Zudem wird inzwischen die Maxime "kleiner" befolgt: SMART steht für "Small Missions for Advanced Research in Technology".

Schlauer Winzling. Ziemlich klein ist SMART 1 tatsächlich. Der Satellit hat ein Volumen von nicht mehr als einem Kubikmeter und wiegt lediglich 366,5 Kilogramm. Herkömmliche Satelliten bringen es dagegen auf mehrere Tonnen Gewicht. Wären nicht die mehrere Meter langen Solarzellenausleger auf beiden Seiten, sähe SMART 1 aus wie eine größere Kiste. Auch das Interieur dieses Liliput-Satelliten ist von denkbar geringer Größe, erklärt Foing: "Die Miniaturkamera wiegt zwei Kilogramm, genauso viel wie das Infrarotspektrometer. Das Infrarotspektrometer der vorangegangenen Generation war zehnmal so schwer."

SMART 1 wird sich schließlich in einem Abstand von 300 bis 10.000 Kilometern über der Mondoberfläche bewegen und dabei mit High-Tech-Instrumenten einen genauen Blick nach unten werfen, vor allem auf die erdabgewandte Seite und die Polarregionen des Mondes, die bisher noch kaum untersucht wurden. Die Spezialkamera soll in Kombination mit einem fünf Kilo schweren Röntgenspektrometer präzisere Aufschlüsse über die geologische Zusammensetzung der Oberfläche des Mondes und damit auch über dessen Entstehungsgeschichte liefern.

Im Zentrum steht die Frage, ob der Trabant, wie auch die heutige Form der Erde, vor etwa 4,5 Milliarden Jahren infolge einer gigantischen Kollision eines Asteroiden mit unserem Planeten entstand - und ob der Mond dadurch von der Erde abgetrennt wurde. Sollte diese Hypothese zutreffen, müsste der Mond beispielsweise weniger Eisen, dafür aber mehr leichtere Elemente wie Magnesium und Aluminium enthalten.

Mit dem Infrarotspektrometer wiederum wollen die Wissenschafter in die dunkelsten und tiefsten Krater des Mondes spähen, um eventuell in Form von Eis vorhandene Wasservorräte zu entdecken. Da in diese Krater kein direktes Licht fällt, müssen die Forscher hoffen, dass Sonnenstrahlen vom Kraterrand nach unten reflektiert werden und doch noch schwaches Licht auf das Eis werfen. Trotz der aktuellen Sparprogramme hat die ESA die Hoffnung auf eine permanente Mondbasis noch nicht aufgegeben - Wasservorkommen wären dafür unabdinglich.

In erster Linie ist SMART 1 allerdings eine Technologietestmission. Auf dem Prüfstand steht neben den Miniaturinstrumenten vor allem der Antrieb. Die europäische Jungfernfahrt des so genannten Hall-Ionen-Antriebs weckt deshalb das besondere Interesse der Fachgemeinde. Zwar ist die bei der aktuellen Mission angewandte Technologie eines elektrischen - statt eines chemischen - Antriebs nicht neu: Sie wurde bereits in den fünfziger Jahren entwickelt und kam etwa in der sowjetischen Raumfahrt zur Anwendung. Der Ionenantrieb fand aber lange Zeit nicht als Primärantrieb, sondern lediglich bei der Lagekontrolle Verwendung - zwecks Stabilisierung oder Kurskorrektur. Im Oktober 1998 schickte die NASA mit "Deep Space 1" erstmals eine Sonde mit elektrisch erzeugtem Schub in die Tiefen des Alls. Nun zieht die ESA nach.

Angesichts der Dimensionen von SMART 1 wundert es nicht, dass auch die ringförmige Keramikkammer des Antriebs einen Durchmesser von nur zehn Zentimetern hat. In deren Innerem wird das Gas Xenon ionisiert - in elektrisch geladene Teilchen zerlegt, und diese werden mithilfe eines elektrischen Feldes beschleunigt. Die für die Ionisierung erforderliche elektrische Energie - benötigt werden nur 1,35 Kilowatt - bezieht der Antrieb über die Solarzellenausleger, die ausgefahren werden, sobald SMART von der Trägerrakete abgesetzt wird.

Das bei dem Flugkörper eingesetzte Antriebsverfahren besticht vor allem durch ein besonders günstiges Verhältnis von erzeugter Schubkraft und verbrauchtem Treibstoff: So würden selbst die besten chemischen Raketentriebwerke die fünffache Menge an Treibstoff für dieselbe Schubkraft verbrauchen - was allerdings ein theoretischer Wert ist, weil SMART 1 bloß minimalen Schub benötigt, um sich durchs All zu bewegen. Die tatsächlich erforderliche Antriebskraft ist kaum spürbar und entspricht in etwa jener Luftbewegung, die beim Wedeln mit einem Blatt Papier entsteht.

So tuckert SMART 1 eher gemächlich seinem Ziel entgegen. 16 Monate wird der Satellit für die Reise zum Mond benötigen. Zum Vergleich: Apollo 11 brauchte dafür 1969 bloß 76 Stunden. Allerdings schlägt SMART 1 auch nicht den direktesten Weg ein: Der Flugkörper wird die Erde über ein Jahr lang in immer größeren Abständen umkreisen, sich dann Richtung Mond absetzen und sich ab Dezember 2004 in elliptischen Bahnen um diesen herumbewegen. Bis SMART 1 sich Ende September 2004 erstmals dem Mond annähert, wird der Satellit bereits 100 Millionen Kilometer zurückgelegt haben - das ist etwa das 250fache des Abstandes zwischen Erde und Mond, der zwischen 356.400 und 406.700 Kilometern schwankt. Doch die Umwege sparen Energie: SMART 1 nutzt die Anziehungskräfte der Erde und danach jene des Mondes. Der Ionenantrieb dient zunächst der Stabilisierung und sorgt dann für den Übergang vom irdischen ins lunare Gravitationsfeld.

Die Vorteile dieses "Spiralisierens" sind evident: Nimmt der Treibstoff bei herkömmlichen interstellaren Raumfahrzeugen mit chemischem Antrieb etwa achtzig Prozent und bei geostationären Satelliten etwa fünfzig Prozent des verfügbaren Raumes ein, sind es beim Ionenantrieb deutlich weniger. SMART 1 hat 84 kg des Edelgases Xenon an Bord, was nur knapp ein Viertel des Gesamtgewichts ausmacht und ein Fünftel des Raumes beansprucht.

Ein entscheidender weiterer Vorteil ist der gewissermaßen lange Atem des Antriebs. Wird der Flüssigtreibstoff eines chemischen Antriebs oft in wenigen Minuten verfeuert, so vermag der elektrische Antrieb für Monate oder sogar für Jahre Schub zu geben. Längere Reisen durch unser Sonnensystem sind deshalb durchaus denkbar, zumal wenn mehrere und stärkere Ionenantriebe entwickelt werden. So plant die ESA ab etwa 2009 die Mission BepiColombo, die zum Merkur führen soll.

Technik aus Österreich. An den Vorarbeiten für BepiColombo ist auch der Physiker Martin Tajmar von den Austrian Research Centers in Seibersdorf (ARCS) maßgeblich beteiligt - ebenso wie an der aktuellen Mission zum Mond, an welcher der erst 29-Jährige als einziger österreichischer Wissenschafter mitarbeitet. Tajmar hat unter anderem 3-D-Simulationen für elektrische Weltraumantriebe entwickelt und sich damit einen internationalen Namen gemacht.

Im Zusammenhang mit SMART 1 hat er untersucht, welche möglichen und vor allem welche unerwünschten Auswirkungen die vom Antrieb ausgestoßenen Ionen auf das Raumfahrzeug haben könnten. Weil der Antrieb Plasma, ein Gas aus geladenen Teilchen, ausstößt und dieses darauf mit nicht ionisierten Teilchen kollidiert, entstehen langsame, geladene Teilchen, die den Satelliten einhüllen und von hinten beschießen. Deshalb besteht die Gefahr, dass die Lebensdauer der Solarzellen sich verringert oder die optischen Instrumente verunreinigt werden.

"Ich habe den Prozess sehr genau modelliert und die so genannte Rückflusskontamination gemessen", berichtet Tajmar. "Später habe ich dann diese Simulationen mit Daten in Vakuumkammern verglichen. " Schließlich konnte der Forscher grünes Licht für den Betrieb des Satelliten geben. Die Instrumente, die diesen Rückfluss messen sollen, wurden nach seinen Angaben positioniert und kalibriert. Dass doch noch etwas schief laufen könnte, kann sich Tajmar kaum vorstellen.

Inzwischen hat sich Tajmar mit seinem Team bei der ESA darum beworben, die Antriebstechnologie für eine für 2005 geplante SMART-2-Mission zu entwickeln. Bereits unter Vertrag steht er mit der NASA hinsichtlich eines von ihm mitentwickelten hochpräzisen elektrischen Antriebssystems für Satelliten. Dieses soll etwa die genaue Positionierung dreier Satelliten zueinander erlauben, um die von Albert Einstein bereits vor 80 Jahren postulierten Gravitationswellen zu entdecken. Nun denkt Tajmar sogar über Antriebe nach, die gänzlich ohne Treibstoff auskommen.

Vorerst muss man freilich darauf hoffen, dass die Mission SMART 1 wunschgemä ß verläuft. Als etwa 1996 beim Jungfernflug der Ariane 5 die Rakete explodierte, fielen auch einige Instrumente aus Seibersdorf in das schlammige Gelände von Kourou. Das Trampen im All birgt eben immer noch ein gewisses Risiko.