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New Horizons (englisch für Neue Horizonte) ist eine Raumsonde der NASA, die im Rahmen des New-Frontiers-Programmes am 19. Januar 2006 startete, um das Pluto-System und den Kuipergürtel zu erforschen. Am 14. Juli 2015 erreichte New Horizons als erste Raumsonde Pluto.[2] Außerdem passierte sie am 1. Januar 2019 das Kuipergürtelobjekt (486958) 2014 MU69 (inoffiziell: Ultima Thule). Die Sonde erforscht zudem weitere Kuipergürtelobjekte aus größerer Entfernung sowie die Heliosphäre.[3][4]

New Horizons

New Horizons in der Montagehalle
Missions­ziel Plutosystem, Kuipergürtel, Heliosphäre
Auftrag­geber National Aeronautics and Space AdministrationNASA NASA
Aufbau
Träger­rakete Atlas V (551)
Startmasse 478 kg
Instrumente
  • Ultraviolett-Spektrometer
  • LORRI (Long Range Reconnaissance Imager)
  • REX (Radio Experiment)
  • SWAP (Solar Wind Analyzer around Pluto)
  • PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation)
  • Venetia (Venetia Burney Student Dust Counter)
Verlauf der Mission
Startdatum 19. Januar 2006, 19:00 UTC
Startrampe Cape Canaveral, LC-41
Enddatum Primärmission Ende 2016, Sekundärmission 2021
 
19.01.2006 Start
 
13.06.2006 Beobachtung von Asteroid (132524) APL
 
28.01.2007 Jupiter-Swing-by
 
14.02.2015 Beginn Beobachtung von Pluto u. Charon
 
14.07.2015 Vorbeiflug an Pluto
 
25.10.2016 Abschluss der Datenübertragung, Beginn Sekundärmission
 
01.01.2019 Vorbeiflug an (486958) 2014 MU69
 
31.12.2021 nominaler Abschluss Sekundärmission
 
ca. 2035 Passieren des Terminations­schocks[1]
 
Logo der Mission
New Horizons - Logo2 big.png

Aktuell (27. Mai 2019) ist die Sonde ca. 44,458 Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt, das sind etwa 6,65 Milliarden Kilometer.

Das Projekt wird vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland geleitet. Die Kosten einschließlich der Entwicklung und des Baus der Raumsonde sowie ihrer Instrumente, der Trägerrakete und des Missionsbetriebs bis zum Jahr 2016 betrugen etwa 700 Millionen Dollar.

Start der New-Horizons-Mission am 19. Januar 2006

Inhaltsverzeichnis

MissionszieleBearbeiten

PrimärmissionBearbeiten

 
1994 vom Hubble-Weltraumteleskop erstellte Karte der Oberfläche des Pluto

New Horizons war die erste Raumsonde zur Erforschung Plutos. Da der Zwergplanet sehr weit von der Sonne entfernt ist, konnten selbst die stärksten Teleskope kaum Details auf seiner Oberfläche ausmachen. Die Auflösung der besten mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnenen Aufnahmen erreichten nur 500 km pro Bildpunkt. Somit konnten Pluto und seine Monde nur durch Raumsonden näher studiert werden. Zum Startzeitpunkt galt Pluto noch als vollwertiger Planet und war als einziger Planet noch von keiner Raumsonde erforscht worden. Wenige Monate nach dem Start wurde die Definition für Planeten geändert und Pluto wurde nach dieser neuen Definition zu einem Zwergplaneten.

Die NASA unterteilte die Missionsziele der Sonde in drei Prioritätskategorien; die später entdeckten Monde konnten bei der Formulierung der Missionsziele noch nicht berücksichtigt werden.

Erforderlich

Wichtig

Wünschenswert

Die NASA definierte die Mission von New Horizons als erfolgreich, wenn alle als erforderlich eingestuften Ziele erreicht werden. Mit Hilfe ihrer sieben Instrumente übertraf die Sonde die Ziele aller Prioritätskategorien.

Zu den Missionszielen gehörte auch die weitere Erforschung des Jupiters, an dem die Sonde im Februar und März 2007 vorbeiflog. Wolkenbewegungen wurden beobachtet, es wurde die Magnetosphäre des Planeten untersucht und Ausschau nach Polarlichtern und Blitzen in Jupiters Atmosphäre gehalten. Über die vier großen Galileischen Monde konnten nur wenige wissenschaftliche Daten gewonnen werden, da die Sonde sie in relativ großer Entfernung passierte.

Zusätzlich zu den formulierten Missionszielen tragen die Instrumente mit Langzeitbeobachtungen zur Erforschung des Sonnenwinds und der Heliosphäre bei.

Kuiper Belt Extended Mission (KEM)Bearbeiten

Die NASA genehmigte Anfang Juli 2016 die Finanzierung der Anschlussmission bis 2021 zur Untersuchung von (486958) 2014 MU69 und weiterer Objekte im Kuipergürtel. Die Anschlussmission unter dem Namen Kuiper Belt Extended Mission (KEM) hat mehrere Ziele:[4]

  • Ein dichter Vorbeiflug an einem „alten“ Kuipergürtel-Objekt (KBO), in diesem Fall (486958) 2014 MU69, am 1. Januar 2019. Der Vorbeiflug sollte in nur 3500 km Abstand erfolgen. Die Beobachtung soll noch eine Woche nach der größten Annäherung fortgesetzt werden
  • Die Aufnahmen im sichtbaren Licht und in anderen Spektralbereichen sollten entsprechend der größeren Nähe detaillierter als bei Pluto sein.
  • Die Beobachtung eines Asteroiden mittlerer Größe von 20 bis 40 km soll neue Erkenntnis über die Akkretionsprozesse und damit die Entstehung der Planeten und des Sonnensystems liefern. Das Objekt ist vermutlich mehr als vier Milliarden Jahre alt und befand sich seit der Entstehung in kalter Umgebung. Es wird erwartet, dass es das ursprünglichste Objekt ist, das bisher von einer Raummission untersucht wurde.
  • New Horizons soll alle sieben Instrumente bei der Erforschung einsetzen.
  • Suche nach möglichen Monden.
  • Untersuchung der Oberflächenstrukturen.
  • Suche nach einer Atmosphäre.

Die anschließende Übertragung der Ergebnisse wird bis Ende 2020 dauern.

New Horizons soll weiterhin als Beobachtungsplattform genutzt werden, um viele andere Objekte im Kuipergürtel und den umgebenden Weltraumbereich zu beobachten:

  • 2016–2020: Beobachtung von etwa 20 weiteren KBOs aus weiterem Abstand, um deren Form, begleitende Objekte und Oberflächeneigenschaften zu bestimmen; dies kann kein erdbasiertes Teleskop leisten.
  • 2016–2020: Sorgfältige Suche nach Ringen um eine große Anzahl verschiedener KBOs.
  • 2016–2021: Erstellen eines heliosphärischen Querschnitts durch den Kuipergürtel mit nahezu permanenter Messung von Plasma, Staubpartikeln und neutralen Gasen bis zu einer Entfernung von 50 AE von der Sonne.
  • 2020–2021: Mögliche astrophysikalische Untersuchung, je nach Wunsch der NASA.Vorlage:Zukunft/In 2 Jahren[6]

TechnikBearbeiten

 
Schematische Darstellung von New Horizons
 
Struktur der Raumsonde ohne RTG und Wärmeisolation

Die Raumsonde hat etwa die Größe eines Konzertflügels und die Form eines Dreiecks mit einem zylinderförmigen Radioisotopengenerator (RTG), der an einer Spitze des Dreiecks angebracht ist. Außerdem verfügt sie über eine 2,1-m-Parabolantenne zur Kommunikation mit der Erde, die an einer Seitenfläche des Dreiecks befestigt ist. Der Sondenkörper ohne RTG und Antenne ist 0,7 m hoch, 2,1 m lang und 2,7 m breit. Die Gesamthöhe vom Nutzlastadapter bis zum oberen Ende der Antenne beträgt 2,2 m. Die Gesamtmasse inklusive 77 kg Treibstoff und 30 kg wissenschaftlicher Nutzlast beträgt 478 kg. Bei einem Flug ohne einen Swing-by am Jupiter hätte die Startmasse der Sonde bei etwa 20 kg weniger gelegen. Die Differenz hätte jedoch nur die Menge des mitgeführten Treibstoffs betroffen und ergibt sich aus der Tatsache, dass die Trägerrakete bei einem direkten Start zum Pluto höhere Endgeschwindigkeit erreichen muss und so weniger Nutzlast befördern kann. Die ursprünglichen Planungen sahen eine Startmasse der vollbetankten Sonde von 465 kg vor; nach der Verifizierung der Leistung der neuen Atlas-V-Trägerrakete durch vorangegangene Starts konnte die Startmasse etwas vergrößert werden.

Die tragende Struktur der Sonde besteht aus einem zentralen Aluminium-Zylinder, der den aus Titan gefertigten Treibstofftank beherbergt und als Nutzlastadapter zwischen Sonde und Trägerrakete sowie als Schnittstelle zwischen Sonde und RTG dient. Der RTG ist mit Hilfe eines vierseitigen Titansockels an der Raumsonde befestigt. Um die Masse der Sonde gering zu halten, sind die Paneele des Sondenkörpers aus Aluminium in Sandwichbauweise mit sehr dünnen Frontalplatten gefertigt (so dick wie zwei Lagen Papier). Elektronik und Instrumente sind um den Zylinder herum gruppiert, wobei die Anordnung der Systeme auf die Schwerpunktlage Rücksicht nehmen musste.

New Horizons kann sowohl drei-Achsen-stabilisiert als auch spinstabilisiert betrieben werden. Drei-Achsen-Stabilisierung wird während wissenschaftlicher Beobachtungen und System- und Instrumententests angewandt, Spinstabilisierung (normalerweise mit fünf Umdrehungen pro Minute) während der Kurskorrekturmanöver, während langer Funkkontakte mit der Erde, während der Flugperioden und im Hibernation Mode. Um eine Spinstabilisierung während des Flugs zu ermöglichen, wurde die Sonde vor dem Start genau vermessen und mit zusätzlich angebrachten Ausgleichsmassen ausbalanciert.

EnergieversorgungBearbeiten

 
RTG der Raumsonde New Horizons

Die Sonde wird durch einen mit etwa 10,9 kg Plutonium (238Pu) gefüllten Radioisotopengenerator (RTG) des Modells GPHS-RTG mit Energie versorgt. RTG-Energieversorgung ist notwendig für sonnenferne Missionen, dementsprechend verfügt New Horizons weder über Solarzellen noch über Akkumulatoren. Der RTG der Sonde enthält 18 Module, die jeweils vier Kapseln mit je 151 g Plutonium in Form von Plutoniumdioxid (PuO2) enthalten. Das 238Pu für RTGs wird in einem aufwendigen Prozess in einem Kernreaktor durch Neutronenbeschuss von Brennstäben, die Neptunium (237Np) enthalten, erbrütet. Die Kapseln wurden im Los Alamos National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) hergestellt.

Mitte 2004 wurden alle Arbeiten des Los Alamos National Laboratory, und somit auch am Plutonium für New Horizons gestoppt, da angeblich einige Festplatten mit geheimen Informationen verschwunden waren. Das Projekt war dadurch in Gefahr, da bei einer unzureichenden Energieversorgung die Sonde keine oder nur eingeschränkte Beobachtungen hätte durchführen können. Die Sicherheitsprobleme des Los Alamos National Laboratory konnten gelöst werden, und die Arbeiten an den Plutoniumkapseln wurden wieder aufgenommen.

Ende 2005 wurde der RTG ausgeliefert und in die Sonde eingebaut. Vorgesehen war, dass die maximale Leistung des Generators mit voller Plutoniumladung beim Start 285 W und 225 W beim Plutovorbeiflug im Jahr 2015 betragen wird (durch Zerfall des Plutoniums reduziert sich die verfügbare Leistung mit der Zeit). Nach Problemen mit der Herstellung sprach DOE von etwa 190 W verfügbarer Leistung beim Vorbeiflug an Pluto. Dies wäre für einen normalen Betrieb der Sonde bei Pluto ausreichend (mindestens 182 W sind nötig) und könnte die Sonde bis etwa ins Jahr 2025Vorlage:Zukunft/In 5 Jahren funktionsfähig halten. Als im Oktober 2005 der RTG Tests unterzogen wurde, stellte sich heraus, dass der Generator etwas mehr Leistung liefern konnte als erwartet. Man ging nun von etwa 240 W am Anfang der Mission und 200 W bei Erreichen von Pluto aus. Die Spannung beträgt 30 Volt.

ElektronikBearbeiten

New Horizons besitzt zwei Computersysteme: das Command and Data Handling System zur Steuerung der Sonde sowie zur Arbeit mit wissenschaftlichen Daten und das Guidance and Control System zur Lagekontrolle. Jedes der Computersysteme ist redundant, sodass die Raumsonde über vier separate Rechnersysteme verfügt. Die Bordrechner verwenden jeweils einen Mongoose-V-Prozessor. Dieser ist eine 12 MHz schnelle, gegen Strahlung gehärtete Version des MIPS-R3000-Prozessors.

Das Command and Data Handling System verfügt über zwei Flash-Recorder mit jeweils 8 GB Speicherkapazität, um die während des Betriebs der Instrumente gewonnenen wissenschaftlichen Daten zwischenzuspeichern, bevor sie zur Erde übertragen werden können.

Um Platz und Gewicht zu sparen, sind die Elektronik der Raumsonde und die Schnittstellen zur Elektronik ihrer Instrumente in einem „Integrated Electronics Module“ (IEM) untergebracht. An Bord befinden sich zwei redundante IEM.

KommunikationBearbeiten

 
Die Antennen der New-Horizons-Raumsonde: HGA, MGA und eine der beiden LGAs

Das Kommunikationssystem der Raumsonde arbeitet im X-Band und verfügt über eine 2,1-m-Parabol-Hochgewinnantenne (High Gain Antenna – HGA, 42 dBi) mit einem Öffnungswinkel von 0,3 Grad und eine 30-cm-Mittelgewinnantenne (Medium Gain Antenna – MGA) mit einem Öffnungswinkel von 4 Grad. Es gibt noch zwei Rundstrahlantennen (Low Gain Antenna – LGA) mit niedrigem Gewinn auf entgegengesetzten Seiten der Raumsonde. Alle Antennen sind fest angebracht. Zur Nutzung der HGA- und der MGA-Antennen muss die Sonde auf die Erde ausgerichtet werden. Die Sonde verfügt über zwei redundante 12-Watt-Wanderfeldröhrenverstärker (TWTA), die unter der HGA montiert sind. Die Signale der TWTAs sind unterschiedlich polarisiert, daher können beide TWTAs gleichzeitig zur Übertragung verwendet werden.[7]

Die Hochgewinnantenne und die Mittelgewinnantenne werden zur Datenübertragung genutzt; die Datenübertragungsrate der HGA zu einer 70-m-Antenne des Deep Space Network betrug am Jupiter 38 kbit, in der Nähe Plutos noch etwa 1 kbit pro Sekunde. Die wesentlich älteren Voyager-Sonden erreichten durch ihre größeren Antennenschüsseln in ähnlicher Entfernung noch circa 1,4 kbit pro Sekunde im X-Band.

Für den Fall, dass die Sonde nicht auf die Erde ausgerichtet werden kann und diese Antennen nicht zur Verfügung stehen, können die beiden Rundstrahlantennen (LGA) der Sonde verwendet werden. Diese brauchen nicht ausgerichtet zu sein, erreichen aber nur sehr niedrige Datenübertragungsraten. Die Sonde verfügt über zwei dieser Antennen auf entgegengesetzten Seiten, so kann sie aus allen Richtungen senden und empfangen. Sie werden während des Starts und zur Kommunikation in der Nähe der Erde verwendet und dienen darüber hinaus einer Absicherung der Kommunikation in einem Notfall mit der niedrigstmöglichen Datenrate von 10 bit pro Sekunde.

Um die Betriebskosten zu senken, verbrachte New Horizons die Flugstrecke zwischen Jupiter und Pluto und teilweise zwischen Pluto und (486958) 2014 MU69 in einer Art „Winterschlaf“ (hibernation mode). Dabei wurde die Sonde einmal pro Jahr für 50 Tage „aufgeweckt“, um Funktionstests durchzuführen und genaue Flugparameter zu bestimmen. Für die restliche Zeit wurde die Sonde in eine langsame Rotation versetzt. Sie sendete lediglich einmal pro Woche ein Signal zur Erde, dessen Frequenz entweder den normalen Betrieb der Sonde oder einen von sieben Fehlermodi anzeigt. Hierfür wird eine einfache unmodulierte Trägerwelle einer bestimmten Frequenz verwendet, die sich leicht empfangen und ohne viel technischen Aufwand identifizieren lässt. Ungefähr einmal pro Monat sendet die Sonde einen ausführlicheren Statusbericht. Von den vier Bordcomputern ist nur einer in Betrieb und alle redundanten Systeme sind so weit wie möglich abgeschaltet. Die Hibernation verringert die Abnutzung und reduziert die Unterhaltskosten erheblich, weil kein Personal zum Betrieb nötig ist und Kapazitäten des Deep Space Network für andere Missionen freigegeben werden. Diese Art der Kommunikation wurde mit Deep Space 1 erprobt, New Horizons ist die erste Raumsonde, die sie im operativen Einsatz verwendet.

AntriebssystemBearbeiten

Das Antriebssystem der Raumsonde wird nur für Kurskorrekturen und zur Lageregelung verwendet. Es ist nicht möglich, nach dem Abtrennen der Raketenoberstufe die Sonde stark zu beschleunigen oder abzubremsen, wie es beispielsweise bei einer Orbiter-Mission notwendig wäre. Das Antriebssystem besteht aus 16 Triebwerken, die Hydrazin katalytisch zersetzen und an acht verschiedenen Stellen der Sondenoberfläche angebracht sind. Davon liefern vier größere Triebwerke, die meist für Kurskorrekturen verwendet werden, einen Schub von 4,4 Newton sowie zwölf kleinere Triebwerke einen Schub von 0,8 Newton. Die kleineren Triebwerke dienen der Ausrichtung der Sonde, sowie dem Einleiten und dem Stoppen der Rotation. Die Hälfte der 16 Triebwerke dienen als Reserve.

Die Sonde hatte beim Start 77 kg Hydrazin an Bord, das ausreichen würde, um die Geschwindigkeit der Sonde um etwa 400 m/s zu ändern (minimal waren bei der Missionsplanung 290 m/s vorgesehen). Der größte Teil ist vorgesehen, um nach der Passage von Pluto weitere Kuipergürtelobjekte ansteuern zu können. Um den Treibstoff unter Druck zu setzen, wird gasförmiges Helium verwendet.

NavigationssystemBearbeiten

Navigationssysteme und Sensoren liefern Informationen zu Position, Kurs und räumlicher Ausrichtung der Sonde während des Flugs. Diese Daten dienen zur Kurskorrektur und zur Ausrichtung der Instrumente auf die Ziele und der Antenne auf die Erde.

Zur Navigation werden zwei redundante A-STR Sternkameras (Star Tracker),[8] Trägheitsmesssysteme (Inertial Measurement Units, IMUs) und Sonnensensoren verwendet. Die Navigationsdaten werden durch das Guidance-and-Control-Computersystem verarbeitet, das die Lage der Sonde durch das Zünden der kleinen Triebwerke kontrolliert. Eine der Sternkameras macht zehnmal pro Sekunde eine Weitwinkelaufnahme des Sternenhintergrundes und vergleicht sie mit einer gespeicherten Sternenkarte, die 3000 Sterne enthält. Dadurch wird die genaue Ausrichtung der Sonde sowohl im drei-Achsen-stabilisierten als auch im spinstabilisierten Betrieb bestimmt. Die IMUs, die aus Gyroskopen und Beschleunigungsmessern bestehen, liefern 100-mal pro Sekunde Informationen zu Bewegungen der Sonde. Die Sonnensensoren dienen der Ausrichtung der Sonde auf die Sonne (und damit aus großer Entfernung auch auf die Erde) zur Sicherstellung einer Kommunikation im Falle des Versagens anderer Navigationssysteme. Diese Sensoren sind sehr einfach aufgebaut und liefern als Antwort nur, ob sie die Sonne sehen oder nicht.

TemperaturkontrolleBearbeiten

New Horizons kann die von der Elektronik erzeugte Wärme im Inneren wie eine Isolierkanne behalten. Bei der großen Entfernung zur Sonne ist dies erforderlich, um Temperaturen von 10 bis 30 °C im Inneren zu gewährleisten. Dazu ist der Sondenkörper inklusive der großen Antenne mit einer leichtgewichtigen goldfarbenen Bedeckung versehen, die aus 18 Lagen Dacrongewebe besteht, die zwischen einem aluminisierten Mylargewebe und einer Kaptonfolie liegen. Neben der thermischen Isolation dient diese Bedeckung auch dem Mikrometeoritenschutz.

Ein automatisches Heizsystem überwacht den Energieverbrauch im Inneren der Sonde, um sicherzustellen, dass alle Geräte mit genügender Leistung arbeiten und somit genug Wärme abgeben. Fällt der Energiebedarf unter etwa 150 Watt, werden kleine Heizgeräte im Inneren der Sonde eingeschaltet, um den Leistungsunterschied auszugleichen. Solange sich die Sonde in der Nähe der Erde und damit auch der Sonne befand, konnten die Temperaturen die zulässigen Werte übersteigen. Für diesen Fall verfügt die Sonde über eine Art Jalousiesystem („Louvres“) mit Lamellen, die geöffnet wurden, um übermäßige Wärme in den Weltraum abzustrahlen. Im geschlossenen Zustand sorgt die helle Außenfläche der Lamellen für eine geringe Abstrahlung.

InstrumenteBearbeiten

Die Sonde trägt sieben wissenschaftliche Instrumente. Dabei werden einige Instrumente in Gruppen zusammengefasst: So enthält Pluto Exploration Remote Sensing Investigation (PERSI) die Instrumente Ralph und Alice und Particle Spectrometer Suite (PAM) die Instrumente SWAP und PEPSSI. Die Instrumente wiegen zusammen etwa 30 kg und verbrauchen gemeinsam rund 28 Watt elektrischer Leistung.[9]

RalphBearbeiten

 
Ralph vor dem Einbau in die Sonde

Ralph konnte sowohl farbige Karten der Oberflächen von Pluto und Charon mit einer Auflösung von bis zu 250 m pro Pixel erstellen, als auch die Zusammensetzung der Oberflächen beider Körper kartieren. Dazu verfügt das Instrument über ein 6-cm-Teleskop, dessen eingesammeltes Licht zu zwei getrennten Kanälen geleitet wird: zu der Multispectral Visible Imaging Camera (MVIC), die über vier CCDs für Farbbilder mit drei CCDs für panchromatische (schwarz-weiße) Bilder verfügt, und zu dem Linear Etalon Imaging Spectral Array (LEISA). Dabei arbeitet MVIC im sichtbaren Lichtbereich bei 400 bis 950 nm Wellenlänge und LEISA im infraroten Bereich bei 1,25 bis 2,50 µm Wellenlänge. Die Auflösung des MVIC beträgt 20 µrad, des LEISA 62 µrad. Ralph wiegt 10,3 kg und benötigt im Mittel 6,3 Watt Leistung. Das Instrument wurde von Ball Aerospace, dem Goddard Space Flight Center der NASA und dem Southwest Research Institute entwickelt. Am 22. Juni wurde LEISA offiziell in Lisa Hardaway Infrared Mapping Spectrometer umbenannt, zu Ehren von Lisa Hardaway, die bei der Konstruktion und Entwicklung des Instruments wichtige Beiträge leistete.[10][11]

AliceBearbeiten

Alice ist ein abbildendes Ultraviolett-Spektrometer zur Untersuchung der Atmosphäre von Pluto. Alice kann in zwei Modi betrieben werden: im „airglow“-Modus, bei dem die Emissionen der Atmosphäre gemessen werden, und im „occultation“-Modus, bei dem das Instrument auf die Sonne oder auf einen anderen leuchtstarken Stern durch die Atmosphäre Plutos gerichtet wird und bei dem die Zusammensetzung der Atmosphäre durch Absorption des Lichts bestimmt wird. Alice arbeitet im ultravioletten Lichtbereich bei 50 bis 180 nm Wellenlänge und besteht aus einem kompakten Teleskop, einem Spektrografen und einem Sensor, der 32 getrennte Flächen („Pixel“) mit je 1024 spektralen Kanälen aufweist. Alice wiegt 4,5 kg und benötigt im Mittel 4,4 Watt Leistung. Das Instrument wurde vom Southwest Research Institute entwickelt und ist eine weiterentwickelte Version des Alice-Instrumentes der europäischen Rosetta-Sonde, das ebenfalls aus den USA kam.

LORRI (Long Range Reconnaissance Imager)Bearbeiten

 
LORRI wird eingebaut

LORRI ist eine hochauflösende CCD-Kamera (1024 × 1024 Pixel) für sichtbares Licht, die an einem 20,8-cm-Teleskop montiert ist. Das Instrument verfügt über einen sehr einfachen Aufbau, es gibt keine Farbfilter oder bewegliche Teile. LORRI nahm als erstes Instrument bereits 120 Tage vor der Begegnung mit Pluto Bilder des Zwergplaneten und seiner Monde auf, die zu diesem Zeitpunkt kaum weiter als zu einzelnen Lichtpunkten aufgelöst werden konnten. 90 Tage vor der Begegnung übertraf LORRIs Auflösung bereits die des Hubble-Weltraumteleskopes. Bei dem nahen Vorbeiflug am Pluto konnte LORRI Strukturen bis 50 m Größe auflösen. LORRI wiegt 8,8 kg und benötigt im Mittel 5,8 Watt Leistung. Das Instrument wurde vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.

REX (Radio Experiment)Bearbeiten

REX ist ein Radiowellenexperiment, das mit der Hauptantenne der Sonde durchgeführt wird. Dazu werden nach dem Passieren des Pluto mit Hilfe von Antennen des Deep Space Network Signale zur Sonde gesendet, die während des Transits durch Plutos Atmosphäre verändert werden und in diesem Zustand zu New Horizons gelangen. Die Signale werden gespeichert und später zurück zur Erde übertragen. Dadurch lässt sich die Zusammensetzung der Atmosphäre studieren. Das Experiment selbst besteht aus einer kleinen, 100 g schweren Leiterplatte mit Signalverarbeitungselektronik, die im Kommunikationssystem der Raumsonde integriert ist und im Mittel 2,1 Watt Leistung benötigt. Da das komplette Kommunikationssystem redundant ist, verfügt New Horizons über zwei Exemplare von REX. Das Experiment wurde von der Stanford University und dem Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.

SWAP (Solar Wind Analyzer around Pluto)Bearbeiten

 
SWAP montiert auf New Horizons

Dieses Instrument misst geladene Teilchen mit Energien bis zu 6,5 keV, die aus Plutos Atmosphäre entweichen und vom Sonnenwind mitgerissen werden. Dadurch kann festgestellt werden, ob Pluto über eine Magnetosphäre verfügt. Weiterhin kann der Sonnenwind in der Nähe von Pluto studiert werden. Außerdem werden so Daten über die Atmosphäre gesammelt. SWAP wiegt 3,3 kg und benötigt im Mittel 2,3 Watt Leistung. Das Instrument wurde vom Southwest Research Institute entwickelt. SWAP wird außerdem zur Erforschung der Heliosphäre und des Kuipergürtels eingesetzt und kann auch während Hibernation Daten sammeln.

PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation)Bearbeiten

PEPSSI ist ein Ionen- und Elektronenspektrometer, das nach neutralen Atomen sucht, die aus Plutos Atmosphäre entweichen und vom Sonnenwind aufgeladen werden. In das Instrument eintretende Ionen mit Energien von 1 bis 5000 keV und Elektronen mit Energien von 20 bis 700 keV werden erfasst, wobei die Masse und Energie jedes einzelnen Partikels gemessen wird. PEPSSI wiegt 1,5 kg und benötigt im Mittel 2,5 Watt Leistung. Das Instrument wurde vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt. PEPSSI wird außerdem zur Erforschung der Heliosphäre und des Kuipergürtels eingesetzt und kann auch während Hibernation Daten sammeln.

Venetia (Venetia Burney Student Dust Counter)Bearbeiten

 
Der von Studenten gebaute Staubpartikelzähler
 
Die Trägerrakete bei den Startvorbereitungen

Venetia ist ein Instrument zur Messung von Staubpartikeln entlang der gesamten Flugroute. Es wurde von Studenten der University of Colorado entwickelt und ist das erste von Studenten gebaute Instrument auf einer planetaren Mission der NASA. Das Gerät hieß zunächst Student-built Dust Counter (SDC), wurde aber im Juni 2006 zu Ehren der Britin Venetia Phair, geb. Burney umbenannt, die 1930 den Namen „Pluto“ für den neu entdeckten Planeten vorgeschlagen hatte. Das Instrument Venetia zählt auftreffende Staubpartikel und bestimmt deren Masse. Es wird als erstes Instrument dieser Art weiter als 18 AE von der Erde betrieben. Es liefert Informationen zur Kollisionsrate von Asteroiden, Kometen und Kuipergürtelobjekten im äußeren Sonnensystem. Auch im Plutosystem wird nach eventuellen Staubpartikeln Ausschau gehalten. Außerdem wird es zur Erforschung des Kuipergürtels eingesetzt und kann auch während der Hibernation Daten sammeln. Venetia besteht aus einer 46 cm × 30 cm großen Detektorplatte, die auf der Außenhaut der Sonde angebracht ist, und einer Elektronikbox im Inneren der Sonde. Es können Partikel mit einer Masse von 4 ⋅ 10−15 bis 4 ⋅ 10−12 kg erfasst werden. Venetia wiegt 1,9 kg und benötigt im Mittel 5 Watt Leistung.

Vorbereitungen und StartBearbeiten

VorbereitungenBearbeiten

Bereits seit Anfang der 1990er Jahre gab es Bestrebungen, eine Mission zu Pluto zu starten. Vorrangig war dabei, Pluto zu erreichen, bevor seine dünne Atmosphäre ausfrieren würde, denn die Umlaufbahn des Zwergplaneten ist sehr exzentrisch. Pluto erreichte den sonnennächsten Punkt seiner Umlaufbahn (Perihel) bereits 1989. Diese Annahme, dass die Atmosphäre nach der Passage des sonnennäheren Bahnbereiches bald ausfrieren würde, konnte jedoch bislang nicht bestätigt werden. Gegenwärtig entfernt sich Pluto von der Sonne, sodass es auf ihm immer kälter wird; erst im Jahr 2247 wird er sein nächstes Perihel einnehmen. Die ersten Konzepte einer Mission (Pluto Fast Fly-By, Pluto Kuiper Express) scheiterten an technischen und finanziellen Schwierigkeiten. Ende 2000 gab es mit New Horizons einen neuen Vorschlag einer Pluto-Mission. Schließlich wurde dieser Vorschlag am 29. November 2001 als erste Mission des neu geschaffenen New-Frontiers-Programms zur Realisierung genehmigt.

Die Instrumente der Sonde wurden zwischen Juli 2004 und März 2005 ausgeliefert, Zusammenbau und Prüfung liefen von August 2004 bis Mai 2005. Vom Mai bis September 2005 wurde die fertig gebaute Sonde ausgiebig getestet, am 24. September 2005 erfolgte der Transport nach Cape Canaveral.

Ende Oktober beschädigte in Cape Canaveral der Hurrikan Wilma einen Feststoffbooster der fast fertig montierten Atlas-V-Trägerrakete für New Horizons, als ein Tor der Montagehalle dem Winddruck nicht standhielt. Der Booster konnte jedoch noch rechtzeitig vor dem geplanten Starttermin am 11. Januar 2006 ausgetauscht werden.

Am 16. Dezember 2005 ordnete die NASA eine zusätzliche Überprüfung der Tanks der ersten Stufe an, weil bei einem Druckbelastungstest einer anderen Atlas-Rakete diese Stufe der geforderten Maximalbelastung nicht standgehalten hatte. Dadurch verschob sich der für den 11. Januar angesetzte Starttermin um sechs Tage auf den 17. Januar 2006.

StartBearbeiten

Start von New Horizons an Bord einer Atlas-V-Trägerrakete
Startfenster 2006
Start Ankunft
11. bis 27. Januar 14. Juli 2015
28. Januar 15. August 2015
29. bis 31. Januar 12. Juli 2016
1. und 2. Februar 11. Juli 2017
3. bis 8. Februar 10. Juli 2018
9. bis 12. Februar 7. Juni 2019
13. und 14. Februar 20. Juli 2020
Startfenster 2007
2. bis 15. Februar 2019 bis 2020

Das Startfenster öffnete sich am 11. Januar 2006 und blieb bis zum 14. Februar 2006 bestehen. Allerdings bestand nur bei einem Start bis einschließlich 2. Februar die Möglichkeit eines Vorbeiflugs (Swing-by-Manöver) am Jupiter. Danach hätte man Pluto nur auf direktem Weg erreichen können, was die Flugzeit um mehrere Jahre verlängert und die Menge des mitführbaren Treibstoffes um 20 kg reduziert hätte.

Nachdem der geplante Start am 17. Januar 2006 wegen zu starken Windes mehrmals hatte verschoben werden müssen, sollte New Horizons am 18. Januar 2006 starten. Wegen eines Stromausfalls in der Bodenstation der Johns Hopkins University konnte auch dieser Termin nicht gehalten werden. Am 19. Januar startete New Horizons nach mehreren Verschiebungen wegen dichter Bewölkung schließlich um 19:00 Uhr UTC (das Startfenster war von 18:07 bis 20:07 Uhr UTC offen) von Launch Complex 41. Nach 44 Minuten und 55 Sekunden wurde die Sonde von der Rakete in ihrer endgültigen Flugbahn ausgesetzt.

Der Start erfolgte mit einer Atlas-V-Rakete. Obwohl diese Rakete zu jenem Zeitpunkt die stärkste aktive Trägerrakete der Welt war, musste die Nutzlast mit einer zusätzlichen Star-48B-Kickstufe ausgestattet werden, um die Sonde auf eine Geschwindigkeit deutlich über der Fluchtgeschwindigkeit beschleunigen zu können. New Horizons verließ die Erde mit der bis dahin höchsten je erreichten Geschwindigkeit von 16,21 km/s. An anderen Tagen des Startfensters wäre die Geschwindigkeit etwas anders gewesen. Besonders nach dem 2. Februar, ohne die Möglichkeit eines Vorbeiflugs am Jupiter, hätte die Geschwindigkeit der dann leichteren Sonde noch deutlich höher sein müssen.

Wäre die Sonde 2006 nicht gestartet worden, hätte es zwischen dem 2. Februar 2007 und 15. Februar 2007 ein weiteres Startfenster gegeben, das aber ebenfalls nur einen direkten Flug zu Pluto mit den entsprechenden negativen Konsequenzen erlaubt hätte.

Beobachtung im Jupiter-SystemBearbeiten

Auf dem Weg zum JupiterBearbeiten

 
Aufnahmen des Asteroiden (132524) APL
 
Von der LORRI-Kamera aufgenommenes Foto des Planeten Jupiter
 
Ausbruch des Tvashtar-Vulkans auf dem Jupitermond Io (New Horizons, 28. Februar 2007)

Einen Tag nach dem Start wurde die Rotation der Sonde von 68 Umdrehungen pro Minute, in die sie von der Raketenoberstufe versetzt worden war, auf 19,2 Umdrehungen pro Minute reduziert. Am 22. Januar wurde die Rotation weiter auf 5 Umdrehungen pro Minute gesenkt, und die Sternenkameras wurden in Betrieb genommen.

Am 28. Januar 2006 wurde eine erste Kurskorrektur (TCM-1A) durchgeführt, wobei die Triebwerke für etwa fünf Minuten feuerten. Zwei Tage später folgte die nächste, zwölf Minuten lange Kurskorrektur (TCM-1B). Die beiden Kurskorrekturen ergaben eine Geschwindigkeitsänderung von 18 m/s. Eine weitere Kurskorrektur (TCM-2) war für den 15. Februar geplant, wurde jedoch abgesagt. Die nächste, 76 Sekunden lange Kurskorrektur (TCM-3) erfolgte am 9. März und war die erste, die im drei-Achsen-stabilisierten Betrieb durchgeführt wurde. Durch TCM-3 wurde die Geschwindigkeit der Sonde um 1,16 m/s verändert.

Im Februar wurde der Schutzverschluss des Alice-Spektrometers geöffnet und am 13. März folgte der des SWAP-Instruments. Ebenfalls im März wurde das SDC-Experiment aktiviert. Bis zum 29. März hatten alle Instrumente ihre internen Elektronik-Checks absolviert. Am 7. April 2006 kreuzte die Sonde nach 78 Tagen Flugzeit die Marsbahn.[12] Im Mai wurden die Schutzverschlüsse der Instrumente PEPSSI (3. Mai), Alice (20. Mai) und Ralph (29. Mai) geöffnet. Im Sommer wurden die Kalibrierungen der Experimente durchgeführt.

New Horizons näherte sich auf dem Weg durch den Asteroidengürtel am 13. Juni 2006 um 04:05 Uhr UTC bis auf 101.867 km dem 3 bis 5 km großen Asteroiden (132524) APL. Der Schutzverschluss der hochauflösenden Kamera LORRI war wegen zu geringer Distanz zur Sonne noch nicht geöffnet (er wurde erst am 29. August 2006 geöffnet), daher erfolgten die visuellen Beobachtungen nur mit dem schwächeren Ralph-Instrument. Das konnte den Asteroiden lediglich als ein Objekt von ein bis zwei Pixeln Größe auflösen.[13][14][15]

Am 4. September nahm New Horizons ihr erstes Bild von Jupiter auf. Es wurde mit der LORRI-Kamera erzeugt; die Entfernung zum Riesenplaneten betrug zum Zeitpunkt der Aufnahme 291 Millionen Kilometer. Auch andere Instrumente beobachteten Jupiter, in erster Linie zum Zweck der Kalibrierung.[16]

Vorbeiflug am JupiterBearbeiten

Die ersten wissenschaftlich relevanten Untersuchungen des Jupitersystems begannen im Januar 2007 und dauerten bis Ende Juni 2007 an. Es waren etwa 700 Beobachtungen und Messungen des Gasplaneten, seiner Monde und seiner Magnetosphäre geplant.[17] New Horizons war das achte Raumfahrzeug, das Jupiter erreichte. New Horizons konnte bis dahin nicht mögliche Beobachtungen machen.[18]

Am 28. Februar 2007 flog New Horizons an Jupiter vorbei. Die geringste Entfernung zu dem Planeten wurde um 05:43 Uhr UTC erreicht und betrug etwa 2,3 Millionen Kilometer (ca. 32 Jupiterradien). Dies ist ein Drittel der Entfernung, in der die Saturnsonde Cassini-Huygens Jupiter passierte. Die Flugbahn von New Horizons lag knapp außerhalb der Umlaufbahn von Kallisto, dem äußersten der vier Galileischen Monde. Während des Vorbeifluges fertigte die Sonde Aufnahmen von Jupiter, seinen Ringen und den vier Galileischen Monden an, außerdem wurden Messungen des Magnetfeldes durchgeführt. Auf Io konnte ein Vulkanausbruch beobachtet werden. Durch den Vorbeiflug erfuhr die Sonde einen Geschwindigkeitszuwachs von 3890 m/s und wurde auf eine Flugbahn zum Pluto umgelenkt, wofür sie um etwa 2,5° nordwärts aus der Ekliptik herausgelenkt wurde. Die Flugzeit zu Pluto konnte damit gegenüber einer Flugbahn ohne Vorbeiflug an Jupiter um mehrere Jahre verkürzt werden.

Bereich der äußeren PlanetenBearbeiten

Am 8. Juni 2008 kreuzte New Horizons die Umlaufbahn von Saturn, blieb dabei aber weit von ihm entfernt. Am 30. Juni 2010 wurde eine Kurskorrektur durchgeführt und durch einen Schubimpuls von 36 Sekunden Dauer die Geschwindigkeit der Sonde um etwa 0,45 m/s erhöht, um eine Abbremsung durch vom Isotopengenerator an der HGA rückgestreute Thermalstrahlung auszugleichen.[19] Am 18. März 2011 um 23 Uhr erreichte die Sonde die Umlaufbahn von Uranus, wobei der Gasriese zu diesem Zeitpunkt mehr als 3,8 Milliarden Kilometer entfernt war und daher keine Beobachtungen durchgeführt wurden. Am 25./26. August 2014 wurde die Umlaufbahn von Neptun erreicht, exakt 25 Jahre nach dem Vorbeiflug von Voyager 2 an Neptun. Auch Neptun befand sich für sinnvolle Beobachtungen des Planeten zu weit von New Horizons entfernt; dennoch wurden am 10. Juli 2014 einige Aufnahmen von Neptun aus knapp vier Milliarden Kilometer Entfernung gemacht.[20]

Man wollte auch Neptun-Trojaner wie etwa 2011 HM102 beobachten, falls sie der Sonde nahe genug kämen.[21] Da sich New Horizons jedoch bis auf höchstens 180 Mio. km näherte, was für eine sinnvolle Beobachtung nicht ausreichte, wurde schließlich auf eine Beobachtung verzichtet.

Pluto und CharonBearbeiten

 
Die einzelnen Phasen des Vorbeifluges am Pluto-System
Vorbeiflug an Pluto in einer Animation aus Einzelaufnahmen
 
Pluto am 13. Juli 2015

Die Beobachtungen des Pluto-Charon-Systems begannen etwa 150 Tage vor der größten Annäherung. Am 15. April 2015 wurde das erste kombinierte Farbbild von Pluto und Charon veröffentlicht. Die Aufnahmen der LORRI-Kamera übertrafen das beste Auflösungsvermögen des Hubble-Weltraumteleskops.[22] In den darauf folgenden Wochen wurden in Abständen von drei bis sechs Tagen immer detailreichere Bilder der Pluto-Oberfläche und seines größten Begleiters veröffentlicht und zum Teil auch zu Animationen zusammengestellt.

Am 4. Juli 2015 und damit zehn Tage vor dem Vorbeiflug versetzte New Horizons sich aufgrund eines Computerproblems in einen Sicherheitsmodus. Dabei wurde auf das redundante B-Side-Computersystem umgeschaltet. Am 7. Juli 2015 war der Fehler behoben, und New Horizons konnte seinen wissenschaftlichen Betrieb wieder aufnehmen. Während des Vorbeifluges war es der Sonde nicht möglich, in den Sicherheitsmodus zu schalten.[23]

Am 14. Juli 2015 erreichte die Sonde das Ziel der Primärmission, den Zwergplaneten Pluto, und passierte ihn mit einer Geschwindigkeit von 14,5 km/s. Pluto war zu diesem Zeitpunkt 32,9 AE entfernt von der Sonne. Es wurden globale Karten von Pluto und Charon erstellt, Hochauflösungsfotos mit bis zu 25 m pro Pixel Auflösung gewonnen, die Temperaturverteilung gemessen und die Oberfläche und Atmosphäre des Pluto studiert. Planmäßig flog die Sonde um 13:50 MESZ in 12.500 km Entfernung an Pluto und um 14:04 MESZ in 28.800 km Entfernung an Charon vorbei. Um 14:51 MESZ durchquerte sie den Schatten von Pluto und um 16:18 Uhr MESZ den von Charon; dabei gewann sie Daten über deren Atmosphäre. Die besonders datenintensive Phase des Vorbeiflugs dauerte – je nach Definition – maximal drei Stunden.

Da die Übertragungsrate bei der hohen Entfernung zwischen Sonde und Erde für eine Übertragung in Echtzeit zu gering ist, wurden die Daten auf dem 8 GB großen Flash-Speicher abgelegt. In der Woche nach dem Vorbeiflug wurden zunächst besonders wichtige Daten gesendet. Danach folgten laufende Messungen von Experimenten wie SWAP und PEPSSI, die nur eine geringe Datenrate produzierten und die auch nach dem Vorbeiflug weiter Messungen durchführen. Vom 5. September 2015 bis 25. Oktober 2016 wurden alle gespeicherten Daten vom Vorbeiflug in voller Datenqualität übertragen. Die komplette Übertragung dauerte länger als 15 Monate.[24]

Weitere PlutomondeBearbeiten

Die kleinen Monde Nix und Hydra wurden wenige Monate vor dem Raketenstart 2005, Kerberos und Styx 2011 und 2012 auf lang belichteten Aufnahmen des Plutosystems durch das Hubble-Weltraumteleskop entdeckt. In der Phase der größten Annäherung konzentrierten sich die Beobachtungen ganz auf Pluto und Charon. Es gibt jedoch einige Aufnahmen der kleinen Monde, die mit LORRI und Ralph aus größerer Entfernung gemacht wurden.[25][26]

Kuiper Belt Extended Mission (KEM)Bearbeiten

Bis Oktober 2014 wurden mit dem Hubble-Weltraumteleskop mögliche Ziele für die Sekundärmission im Kuipergürtel ausgemacht.[27] Im Rahmen des Citizen-Science-Projekts Ice Hunters werteten Freiwillige Bilder aus, die aus der Subtraktion von in zeitlichen Abständen erstellten Aufnahmen gewonnen wurden. Von den fünf gefundenen Zielen waren zwei außer Reichweite. Aus den verbliebenen drei wählte die NASA im August 2015 das Objekt (486958) 2014 MU69 als nächstes Ziel der Raumsonde aus.[28] Die NASA genehmigte Anfang Juli 2016 die Finanzierung der Sekundärmission.[29] Die Mission läuft unter dem Namen Kuiper Belt Extended Mission (KEM) und ist bis zum Jahr 2021 finanziert. Die Mission führte in einer Entfernung von nur 3500 km an 2014 MU69 vorbei; dabei wurden alle Instrumente eingesetzt, wie zuvor bei der Beobachtung von Pluto. Die anschließende Übermittlung der Daten soll voraussichtlich ungefähr 20 Monate bis gegen Ende 2020 dauern. Nach einer öffentlichen Umfrage und einer Umfrage im Missionsteam wurde für das Objekt der vorläufige Nickname Ultima Thule gewählt. Die endgültige Benennung wird nach dem Vorbeiflug erfolgen, wenn die genaue Form des Objekts bekannt ist.[30]

Vorbereitende wissenschaftliche Untersuchung von (486958) 2014 MU69Bearbeiten

Die Wissenschaftler wollten im Vorfeld so viel wie möglich über das Missionsziel wissen, so z. B. über die Bahndaten, die Rotationsdauer, begleitende Objekte, Ringsysteme und Trümmer. Einerseits wollte man sicher sein, dass beim Vorbeiflug keine Kollision mit einem begleitenden Objekt oder Staubpartikeln droht. Andererseits galt es, den optimalen Passageabstand zu finden, der sowohl groß genug sein würde, um Zeit für die Gewinnung aller wichtigen Daten zu haben, als auch klein genug für eine gute Auflösung der Aufnahmen. Ein naher Vorbeiflug würde weniger, dafür höher aufgelöste Aufnahmen ergeben, ein Vorbeiflug in größerer Entfernung würde mehr Aufnahmen ermöglichen, dafür in geringerer Auflösung.

2014 MU69 war nach ersten Beobachtungen durch Hubble 30 bis 45 km groß.[28] Unter anderem die Gaia-Mission lieferte Daten zur Vorhersage von Sternbedeckungen. Okkultationen gab es am 3. Juni sowie am 10. und 17. Juli 2017. Astronomen nutzten das, um im Vorfeld Informationen über den Durchmesser und begleitende Trümmer oder ein Ringsystem zu bekommen.[31] Für die Beobachtung der Okkultation wurden Teams mit 22 mobilen 40-cm-Teleskopen und Kameras nach Südafrika und Argentinien gebracht, die im Abstand von ca. 10 bis 25 km entlang der Okkultationslinie aufgestellt werden, um zu gewährleisten, dass wenigstens eines der Teleskope die Okkultation im Zentrum beobachten kann. Die Okkultationen dauerten ungefähr 2 Sekunden.[32]

Die Daten aus der Bedeckung am 3. Juni brachten überraschende Erkenntnisse. Die Bedeckung konnte von keinem der Beobachtungspunkte festgestellt werden, obwohl alle richtig positioniert waren. Die Wissenschaftler schlossen daraus, dass das Objekt kleiner ist, als die Beobachtungen von Hubble nahelegten, und die Größe daher eher unterhalb der ursprünglich angenommenen 30 bis 40 km liegt. Das Objekt musste dementsprechend entweder stark reflektieren, oder es handelte sich um ein binäres System oder sogar um einen Schwarm von kleinen Objekten, die bei der Entstehung des Sonnensystems übrig geblieben sind.[33] Für die Beobachtung der Okkultation am 10. Juli wurde zusätzlich das fliegende 2,5-m-Teleskop des Stratosphären-Observatoriums für Infrarot-Astronomie (SOFIA) eingesetzt.[34] Die Okkultation am 17. Juli 2017 konnte festgestellt werden und legte nahe, dass das Objekt langgestreckt, aber kürzer als 30 km ist. Alternativ wurde ein binäres System vorgeschlagen, bei dem die beiden Komponenten jeweils 15–20 km groß sind.[35]

Eine weitere Bedeckung fand am 4. August 2018 statt. Für die Beobachtung wurden in Senegal und Kolumbien mobile Teleskope postiert.[36][37] Diese Bedeckung konnte beobachtet werden und zeigte, wie die Bedeckung am 17. Juli 2017, keine Hinweise auf Trümmer oder ein Ringsystem, außerdem konnten die Bahndaten weiter verfeinert werden. Für die weitere Erkennung von möglichen Trümmern blieb ab diesem Zeitpunkt nur noch LORRI übrig.[38]

Vorbereitung für den Vorbeiflug an Ultima ThuleBearbeiten

 
Die Geschwindigkeit von New Horizons relativ zur Sonne nimmt im größten Teil der Mission ab. Eine Ausnahme ist der Swing-by am Jupiter, der die Sonde von der Sonne weg beschleunigt. Die Geschwindigkeit liegt umso deutlicher oberhalb der Fluchtgeschwindigkeit, je weiter außen im Sonnensystem sich die Sonde befindet.

Mehr als drei Jahre vor der Begegnung wurden am 22., 25. und 28. Oktober und 4. November 2015 die Triebwerke jeweils für 25 Minuten gefeuert, um die Sonde auf den Kurs zu 2014 MU69 zu bringen.[39][40][28] Die Raumsonde verbrauchte 35 % ihrer Treibstoffreserven für das Einschwenken auf den neuen Kurs; die anderen beiden möglichen Ziele 2014 OS393 und 2014 PN70 hätten wesentlich mehr Treibstoff für die Kurskorrektur benötigt.

Am 1. Februar 2017 wurden die Triebwerke für 44 Sekunden für eine kleine Kurskorrektur gezündet. Sie ergab sich aus den neuesten Ergebnissen aus der Beobachtung der Umlaufbahn von 2014 MU69 durch Hubble im Jahr 2016 und aus den Positionsdaten von New Horizons. In den Wochen zuvor waren sechs Kuipergürtelobjekte beobachtet worden.[41] Durch einen Fehler beim Laden von Befehlen ging New Horizons am 9. Februar 2017 vorübergehend in den Sicherheitsmodus.[42]

Nach 852 Tagen ununterbrochenen Betriebs war New Horizons vom 7. April 2017 bis zum 11. September für 157 Tage in Hibernation Mode (Überwinterungszustand).[43][31] In der Zeit zwischen 11. September und 21. Dezember 2017 war die Sonde aktiviert und beobachtete verschiedene Objekte mit LORRI und mit dem UV-Spektrometer Alice. Am 9. Dezember wurden Triebwerke für 2,5 Minuten gezündet, um den Kurs anzupassen und um den Zeitpunkt der Begegnung zu optimieren, damit die Antennen des Deep Space Network das Ereignis optimal auswerten konnten.[44]

Vorbeiflug an Ultima ThuleBearbeiten

Vom 21. Dezember 2017 bis 4. Juni 2018 befand sich die Sonde wieder im Winterschlafmodus.[45] Die nächste Versetzung in Hibernation wird frühestens Ende 2020 geschehen, wenn alle Daten übertragen sind.[46] Nach erfolgreicher Aktivierung und umfangreichen Funktionstests wurde die Sonde am 13. August 2018 vom spinstabilisierten in drei-Achsen-stabilisierten Betrieb versetzt.[47] Am 16. August 2018 gelangen mit LORRI die ersten lang belichteten Aufnahmen von Ultima Thule. Dabei wurde das Objekt als winziger Punkt vor einem dichten Sternenfeld genau an der vorhergesagten Stelle erfasst. Damit waren die Bahndaten bereits sehr präzise bestimmt.[48] Am 3. Oktober 2018 wurden die Triebwerke für dreieinhalb Minuten gezündet für eine Geschwindigkeitsänderung von 2,1 m/s. Dieses Manöver in einer Entfernung von 6,35 Milliarden km von der Erde war die bis dahin am weitesten von der Erde entfernte Kurskorrektur. Zum ersten Mal wurden dabei die von der Sonde gemachten Aufnahmen von Ultima Thule zur Kursbestimmung genutzt.[49]

Bis zum 15. Dezember wurden keine Ringe, Monde oder Begleitobjekte festgestellt und man entschied sich endgültig für einen nahen Vorbeiflug im Abstand von 3500 km, von dem das optimale wissenschaftliche Ergebnis erwartet wurde. Am 19. Dezember wurden die kleinen Triebwerke für 27 Sekunden gezündet; das veränderte die Geschwindigkeit um 0,26 m/s, korrigierte den Kurs um etwa 300 km und verkürzte die Flugdauer um 5 Sekunden. Am 20. Dezember wurde das endgültige Beobachtungsprogramm zur Sonde übertragen.

Am 26. Dezember 2018 wechselte die Sonde in den Encounter Mode. In dieser Zeit arbeitete die Sonde autonom und die Software der Sonde hätte im Fall von Problemen selbst eine Lösung gesucht und gegebenenfalls auf Backupsysteme umgestellt. Die Sonde konnte in dieser Zeit nicht auf Befehle reagieren und nicht in den Sicherheitsmodus wechseln, sondern führte in erster Priorität das Beobachtungsprogramm durch. Die Begegnung fand am 1. Januar 2019 in einer Entfernung von 43,3 AE von der Sonne statt. Es gab Radarmessungen, um Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit von (486958) 2014 MU69 zu bekommen.[45] Funksignale zur Sonde und zurück brauchten in der Nähe von Ultima Thule mehr als 12 Stunden. Erste Daten des Vorbeifluges empfing das Deep Space Network am 1. Januar 2019 um 15:32 Uhr UTC, die Daten wurden dann an das Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory weitergeleitet. Das erste hochaufgelöste Bild wurde am 2. Januar 2019 veröffentlicht.[50]

Aktuell (27. Mai 2019) ist die Sonde etwa 1,268 AE von Ultima Thule entfernt.

Beobachtung weiterer ObjekteBearbeiten

Im Januar 2017 machte New Horizons eine Reihe von Aufnahmen vom Sternenhintergrund.[43] Außer 2014 MU69 wurden ungefähr 20 weitere Objekte aus größeren Entfernungen beobachtet zur Bestimmung der Albedo und der Rotationsdauer und zur Untersuchung auf mögliche Ringsysteme. Beobachtungen aus der Distanz gab es für 2012 HZ84, 2014 PN70, 2014 OS393, 2011 JA32, 2011 HZ102, 2012 HE85, 2011 JW31, 2011 JY31, 2011 HF103, 2011 HK103, 2011 JX31, 2010 JJ124, 2002 MS4, die Zentauren Pholus und Chiron, die Plutinos Huya, 2002 KX14 und Ixion sowie die Zwergplaneten Haumea, Makemake und Eris.[6][51] Die meisten dieser Beobachtungen waren 2018 abgeschlossen.[38][52] Das New-Horizons-Team wurde für diese Aufgaben mit diversen Spezialisten verstärkt.[53] Prinzipiell wäre auch ein Vorbeiflug an einem weiteren KBO-Objekt nach (486958) 2014 MU69 möglich, es wurde aber noch kein erreichbares Objekt gefunden.[54]

(15810) ArawnBearbeiten

Am 2. November 2015 erstellte LORRI mehrere Aufnahmen im Abstand von jeweils einer Stunde von (15810) Arawn. Zum Zeitpunkt der Aufnahmen befand sich das Objekt etwa 5,3 Milliarden km von der Sonne entfernt, aber nur 280 Millionen km von New Horizons.[55] Eine weitere Beobachtung erfolgte am 7. und 8. April 2016 aus einer Entfernung von 111 Millionen km. Durch gleichzeitige Beobachtung mit Hubble konnte die Bahn des Objekts unter Ausnützung der Parallaxe wesentlich genauer auf unter 1000 km genau bestimmt werden. Die Einschätzung als möglicher Quasisatellit zu Pluto war damit widerlegt. Die Beobachtung ergab außerdem eine Rotationsperiode von 5,47 Stunden und dass die Oberfläche ziemlich uneben sein muss. Das Objekt soll ungefähr 145 km groß sein.[56]

(50000) QuaoarBearbeiten

Am 13. und 14. Juli 2016 machte LORRI vier Aufnahmen von Quaoar. Die Aufnahmen aus einer Entfernung von 2,1 Mrd. km zeigen das Objekt nur als verwaschenen Punkt. Die Aufnahme hat dennoch wissenschaftlichen Wert, weil das Objekt aus einem anderen Winkel als von der Erde aus aufgenommen wurde. Die Aufnahme gibt Auskünfte über das Vermögen der Oberfläche, Licht in andere Richtungen zu streuen.[57][58]

(516977) 2012 HZ84 und 2012 HE85Bearbeiten

Im Dezember 2017 machte LORRI Bilder von den beiden Kuipergürtelobjekten (516977) HZ84 und 2012 HE85, um nach Monden, Ringen und begleitenden Staubansammlungen zu suchen. Diese Bilder entstanden in einer Entfernung von 40,95 AE von der Erde und waren damit die bis dahin am weitesten entfernt aufgenommenen Bilder. Damit wurden die Aufnahmen für Pale Blue Dot von Voyager 1 aus einer Entfernung von 40,5 AE zum ersten Mal übertroffen.[59]

Beobachtung der HeliosphäreBearbeiten

Das Sonnensystem wird von einem stetigen Partikelstrom durchflutet. Die ersten Beobachtungen des Sonnenwinds außerhalb der Neptunbahn stammen von den beiden Voyager-Sonden. New Horizons erfasst mit den Instrumenten PEPSSI und SWAP dessen Energie und analysiert Partikel. Ursprünglich waren diese Instrumente vor allem dazu gedacht, die aus der Plutoatmosphäre entweichenden Partikel zu messen und dadurch Informationen über Pluto und seine Atmosphäre zu gewinnen. Seit dem Jupiter-Flyby 2007 wurden sie zunächst nur noch einmal jährlich zu Testzwecken betrieben. Die Wissenschaftler entwickelten eine Methode, die eine kontinuierliche Auswertung der Daten von PEPSSI und SWAP auch während des Hibernation-Mode erlaubte. New Horizons begann mit kontinuierlichen Messungen ungefähr zu der Zeit, als die Uranusbahn erreicht wurde. Auf diese Weise konnten seit 2012 nahezu ununterbrochen Daten über die Heliosphäre gesammelt werden.[60] Es soll ein heliosphärischer Querschnitt des Kuipergürtels bis zu einer Entfernung von 50 AE generiert werden; dazu sollen bis 2020 nahezu ununterbrochen Plasma, Staubpartikel und nicht ionisierte Gase gemessen werden. Nach dem Vorbeiflug an 2014 MU69 können in den Jahren 2020 bis 2021 allgemeine astrophysikalische Untersuchungen gemacht werden, wenn die NASA solche anfordert.[6][61]

Ausblick für die weitere MissionBearbeiten

Zum Zeitpunkt der Begegnung mit Ultima Thule war der Zustand der Sonde ausgezeichnet und alle Systeme waren komplett funktionsfähig. Die Treibstoffvorräte nach der Beobachtung von Ultima Thule reichen für weitere hunderte von gerichteten Aufnahmen[4] und würden für einen weiteren Vorbeiflug ausreichen, jedoch ist bisher kein weiteres erreichbares Objekt identifiziert worden. Seither durchfliegt New Horizons weiterhin den Kuipergürtel und wird im weiteren Verlauf die Heliopause und den interstellaren Raum erreichen.

Die Kommunikation zwischen der Sonde und den bestehenden Anlagen des DSN ist bis zu einer Entfernung von mehr als 200 AE möglich. Diese Entfernung wird ungefähr 2070 erreicht.

Der limitierende Faktor für den zukünftigen Betrieb ist die Energieversorgung; an dieser Stelle wirkt sich die verringerte Beladung mit 238Pu aus. Die Energieversorgung wird laut Projekt-Forschungsleiter Alan Stern „bis ungefähr 2035, vielleicht einige Jahre länger“ ausreichen, was einer Entfernung von mehr als 90 AE entspricht. Da Voyager 1 und 2 den Terminationsschock bei 94 AE bzw. 84 AE erreichten, sei es wahrscheinlich, dass New Horizons „bis hin zum Terminationsschock oder sogar darüber hinaus“ Messungen vornehmen kann.[4]

FlugbahnBearbeiten

TriviaBearbeiten

Neben der wissenschaftlichen Ausrüstung befinden sich an Bord von New Horizons einige kulturelle Gegenstände, darunter sind zwei Vierteldollar-Münzen von Maryland und Florida (den Staaten, in denen die Sonde gebaut und gestartet wurde), ein Bauteil von SpaceShipOne, eine CD, die mit 434.738 Namen von Internet-Nutzern beschrieben ist, die sich auf der New-Horizons-Homepage für die „Send-Your-Name-to-Pluto“-Aktion angemeldet hatten, und eine 1991 ausgegebene US-Briefmarke mit der Aufschrift „Pluto Not Yet Explored“.[62] Es ist die Briefmarke, die bisher am weitesten gereist ist und die damit auch den Guinness-Weltrekord hält.[63] An Bord befindet sich auch ein Gefäß mit etwa 30 Gramm Asche von Clyde Tombaugh, der Pluto 1930 entdeckte.[64]

Anlässlich des Vorbeiflugs an Ultima Thule am 1. Januar 2019 veröffentlichte der Astrophysiker und Musiker Brian May ein offizielles Musikvideo mit dem Titel New Horizons (Ultima Thule Mix).

Es gab eine Planung für eine weitgehend baugleiche Sonde New Horizons 2, die Uranus und verschiedene KBO besuchen sollte. Nach der Planungsphase wurde das Projekt 2004 aufgrund mangelnder Finanzierung gestoppt; außerdem zeichnete sich ab, dass bis zum geplanten Startdatum nicht genügend Plutonium für die RTGs zur Verfügung stehen würde.

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Hans-Ulrich Keller (Hrsg.): Kosmos Himmelsjahr 2015. Sonne, Mond und Sterne im Jahreslauf (= Kosmos Himmelsjahr). Kosmos, Stuttgart 2014, ISBN 978-3-440-14025-3, Monatsthema August: Wie weit ist es zur Heliopause?, S. 187.
  2. Mission Timeline. Abgerufen am 31. Dezember 2018.
  3. NASA’s New Horizons Team Selects Potential Kuiper Belt Flyby Target. Abgerufen am 29. August 2015.
  4. a b c d Alan Stern: The New Horizons Kuiper Belt Extended Mission, Seite 21, abgerufen am 8. Oktober 2018
  5. Nasa Pressemappe vom Januar 2006, S. 11 (PDF).
  6. a b c The PI’s Perspective: To Boldly Go On, In the Service of Exploration. In: pluto.jhuapl.edu. 14. April 2016, abgerufen am 18. Juli 2016.
  7. Emily Lakdawalla: Talking to Pluto is hard! In: planetary.org. 30. Januar 2015, abgerufen am 3. Februar 2018.
  8. Leonardo Star Trackers – Flight Experiences and Introduction of SPACESTAR Product on GEO Platforms. (esa.int [PDF]).
  9. The New Horizons Science Instrument Suite. (Memento vom 13. November 2014 im Internet Archive). Daten der Instrumente. Bei: jhuapl.edu.
  10. Ehrenplakette für Lisa Hardaway. Abgerufen am 31. Dezember 2018.
  11. NASA’s New Horizons Mission Honors Memory of Engineer Lisa Hardaway. Abgerufen am 13. Juli 2017 (englisch).
  12. Outbound for the Frontier, New Horizons Crosses the Orbit of Mars. (Memento vom 5. Oktober 2008 im Internet Archive) Bei: NASA.gov. 10. April 2006.
  13. A Summer’s Crossing of the Asteroid Belt. (Memento vom 1. September 2006 im Internet Archive). Bei: jhuapl.edu. 1. Juni 2006.
  14. Pluto-Bound Camera Sees ‘First Light’ (Memento vom 13. November 2014 im Internet Archive) Bei: jhuapl.edu. 1. September 2006.
  15. New Horizons Tracks an Asteroid. (Memento vom 9. März 2011 auf WebCite) Bei: jhuapl.edu. 15. Juni 2006.
  16. Jupiter Ahoy! (Memento vom 13. November 2014 im Internet Archive) Bei: jhuapl.edu. 26. September 2006.
  17. Jupiter Encounter Begins. (Memento vom 13. November 2014 im Internet Archive) Bei: jhuapl.edu. 10. Januar 2007.
  18. New Horizons : The Path to Pluto and Beyond. Abgerufen am 9. Dezember 2018.
  19. Course Correction Keeps New Horizons on Path to Pluto (Memento vom 9. März 2011 auf WebCite) Bei: jhuapl.edu. 1. Juli 2010.
  20. NASA’s New Horizons Spacecraft Crosses Neptune Orbit En Route to Historic Pluto Encounter. Bei: NASA.gov. 25. August 2014.
  21. Where Is the Centaur Rocket? (Memento vom 1. September 2006 im Internet Archive). Bei: jhuapl.edu. 1. Mai 2006.
  22. Deborah Netburn: NASA’s journey to Pluto: Here’s what might go wrong. In: latimes.com. 15. April 2015.
  23. Raumsonde New Horizons – Der Fehler ist behoben. Bei: Raumfahrer.net. 6. Juli 2015, abgerufen am 6. Juli 2015.
  24. Pluto Exploration Complete: New Horizons Returns Last Bits of 2015 Flyby Data to Earth. NASA, 27. Oktober 2016, abgerufen am 27. Oktober 2016 (englisch).
  25. Pluto’s Small Moons Nix and Hydra | Pluto New Horizons. Abgerufen am 17. März 2017 (amerikanisches Englisch).
  26. Lillian Gipson: New Horizons Picks Up Styx. In: NASA. 9. Oktober 2015 (nasa.gov [abgerufen am 17. März 2017]).
  27. New Horizons: Suche nach Folgeziel war erfolgreich! Bei: Raumfahrer.net. 19. Oktober 2014.
  28. a b c Emily Lakdawalla: Finally! New Horizons has a second target. The Planetary Society, 15. Oktober 2014, abgerufen am 25. Januar 2016 (englisch).
  29. Rachel Feltman: NASA’s New Horizons probe to visit mysterious object in outer solar system. In: WashingtonPost.com. 5. Juli 2016, abgerufen am 8. Juli 2016.
  30. JHUAPL: New Horizons Chooses Nickname for 'Ultimate' Flyby Target. In: New Horizons. (jhuapl.edu [abgerufen am 25. August 2018]).
  31. a b The PI’s Perspective: No Sleeping Back on Earth! Abgerufen am 25. Mai 2017 (englisch).
  32. New Horizons: New Horizons Deploys Global Team for Rare Look at Next Flyby Target. Abgerufen am 15. Juli 2017 (englisch).
  33. New Horizons: New Mysteries Surround New Horizons’ Next Flyby Target. Abgerufen am 15. Juli 2017 (englisch).
  34. New Horizons: SOFIA in Right Place at Right Time to Study Next New Horizons Flyby Object. Abgerufen am 15. Juli 2017 (englisch).
  35. New Horizons’ Next Target Just Got a Lot More Interesting. Abgerufen am 6. August 2017 (englisch).
  36. JHUAPL: New Horizons Team Prepares for Stellar Occultation Ahead of Ultima Thule Flyby. In: New Horizons. (jhuapl.edu [abgerufen am 1. September 2018]).
  37. JHUAPL: New Horizons Team Reports Initial Success in Observing Ultima Thule. In: New Horizons. (jhuapl.edu [abgerufen am 1. September 2018]).
  38. a b The PI's Perspective: Tally Ho Ultima! Abgerufen am 16. September 2018 (englisch).
  39. New Horizons Conducts Final Course Correction for New Year’s Day Flyby of Next KBO in 2019.
  40. NASA’s New Horizons Completes Record-Setting Kuiper Belt Targeting Maneuvers.
  41. New Horizons Refines Course for Next Flyby. Bekanntgabe auf der Webseite The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory am 1. Februar 2017.
  42. New Horizons Exits Brief Safe Mode, Recovery Operations Continue.
  43. a b New Horizons: Halfway from Pluto to Next Flyby Target. Abgerufen am 21. Mai 2017 (englisch).
  44. New Horizons Corrects Its Course in the Kuiper Belt. Abgerufen am 29. Januar 2018 (englisch).
  45. a b New Horizons Enters Last Hibernation Period Before Kuiper Belt Encounter. Abgerufen am 29. Januar 2018 (englisch).
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  Dieser Artikel wurde am 26. Mai 2006 in dieser Version in die Liste der exzellenten Artikel aufgenommen.