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New Horizons

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New Horizons ist eine Raumsonde der NASA, die im Rahmen des New Frontiers-Programmes den Planeten Pluto, seinen Mond Charon sowie nach Möglichkeit zwei weitere im Jahr 2005 neu entdeckte kleinere Monde erforschen soll. New Horizons ist die erste Raumsonde überhaupt, die Pluto aus der Nähe untersuchen soll. Die Sonde wurde am 19. Januar 2006 um 19:00 Uhr UTC an Bord einer Atlas V(551)-Trägerrakete gestartet. Nach einem Swing-by-Manöver vorbei am Jupiter, das für den 28. Februar 2007 geplant ist, soll sie ihr Ziel am 14. Juli 2015 erreichen und schließlich weiter in den Kuipergürtel fliegen.

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

New Horizons in der Montagehalle

Missionsziele

Eine vom Hubble-Weltraumteleskop erstellte Karte der Oberfläche des Pluto

Pluto ist der einzige Planet des Sonnensystems, der bisher von keiner Raumsonde besucht wurde. Da er sehr weit von der Sonne entfernt ist, können selbst die stärksten Teleskope kaum Details auf seiner Oberfläche ausmachen. So erreicht die Auflösung der besten mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnenen Aufnahmen nur 500 km pro Pixel. Somit können Pluto und seine Monde nur durch Raumsonden umfassend studiert werden. Aufbauend darauf, was die Wissenschaftler über Pluto und Charon in Erfahrung bringen wollen, unterteilte die NASA die Missionsziele einer Sonde in drei Prioritätskategorien (da die Ende 2005 entdeckten Monde 2005P1 und 2005P2 zu dem Zeitpunkt unbekannt waren, sind sie hier nicht berücksichtigt):

Erforderlich
Wichtig
Wünschenswert

Die NASA definiert die Mission von New Horizons erfolgreich, wenn alle als erforderlich eingestuften Ziele erreicht werden. Mit Hilfe ihrer sieben Instrumente soll die Sonde sämtliche Ziele aller Prioritätskategorien erreichen und damit diese Anforderungen bei weitem übertreffen können.

Außerdem wird New Horizons bei ihrem Vorbeiflug an Jupiter im Februar und März 2007 Daten sammeln. Die Raumsonde soll Wolkenbewegungen auf Jupiter beobachten, die Magnetosphäre des Planeten studieren sowie nach Polarlichtern und Blitzen in Jupiters Atmosphäre Ausschau halten. Über die vier großen Galileischen Monde können allerdings nur wenige wissenschaftlichen Daten gewonnen werden, da die Sonde diese in einer großen Entfernung passieren wird.

Sollte die Finanzierung des wissenschaftlichen Betriebes der Raumsonde über die 2016 endende Primärmission hinaus gesichert sein, können auch eines oder mehrere Objekte im Kuipergürtel angeflogen und untersucht werden.

Technik

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

Die New Horizons-Raumsonde hat etwa die Größe eines Klaviers 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 Seite des Dreiecks befestigt ist. Die Abmessungen des Sondenkörpers ohne den RTG und der Antenne sind: 0,7 m hoch, 2,1 m lang und 2,7 m an der breitesten Stelle. Die Gesamthöhe der Sonde vom Nutzlastadapter bis zum oberen Ende der Antenne beträgt 2,2 m. Die Gesamtmasse inklusive 77 kg Treibstoff und 30 kg wissenschaftliche Nutzlast beträgt 478 kg. Bei einem Flug ohne einen Swing-By am Jupiter würde die Startmasse der Sonde bei etwa 20 kg weniger liegen. Die Differenz betrifft jedoch nur die Menge des mitgeführten Treibstoffs 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 leicht angehoben 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. Das RTG ist mit Hilfe eines vierseitigen Titan-Sockels an der Raumsonde befestigt. Um die Masse der Sonde gering zu halten, sind die Panele des Sondenkörpers aus Aluminium in Honigwabenbauweise mit sehr dünnen Frontalplatten gefertigt (so dick wie zwei Lagen Papier).

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 Kontaktsessions mit der Erde und während der Flugperioden. Um eine Spinstabilisierung während des Flugs zu ermöglichen, wurde die Sonde vor dem Start mit zusätzlich angebrachten Gewichten ausbalanciert.

Die Raumsonde trägt auch eine CD, die mit 430.000 Namen von Internet-Nutzern beschrieben ist, die sich auf der New Horizons Homepage für die “Send Your Name to Pluto” Aktion angemeldet haben.

Energieversorgung

RTG der New Horizons Raumsonde

Die Sonde wird durch einen mit etwa 10,9 kg Plutonium 238 gefüllten Radioisotopengenerator (RTG) des Modells GPHS-RTG mit Energie versorgt. Der RTG enthält 18 Module, die jeweils vier Kapseln mit je 151 Gramm Plutonium in Form von Plutoniumdioxid (PuO2) enthalten. Die Kapseln wurden im Los Alamos National Laboratory des US-Energieministeriums hergestellt.

Mitte 2004 wurden alle Arbeiten des Los Alamos National Laboratory, u.a. auch an dem Plutonium für New Horizons, gestoppt, da festgestellt wurde, dass angeblich einige Festplatten mit geheimen Informationen verschwunden waren. Dadurch wurde das gesamte New Horizons-Projekt in Gefahr gebracht, da bei einer unzureichenden Energieversorgung die Sonde keine oder nur eingeschränkte Beobachtungen durchführen könnte. Die Sicherheitsprobleme des Los Alamos National Laboratory konnten jedoch nach einiger Zeit gelöst werden, und die Arbeiten an den Plutoniumkapseln wurden wieder aufgenommen.

Ende 2005 wurde der RTG ausgeliefert und in die Sonde eingebaut. Allerdings enthält er wohl weniger Plutoniumkapseln als ursprünglich geplant. Vorgesehen war, dass die Leistung des Generators mit voller Plutonium-Ladung beim Start 285 W und 225 W beim Pluto-Vorbeiflug im Jahr 2015 betragen wird: unterwegs tritt eine Absenkung der Leistung aufgrund des Zerfalls von Plutonium ein. Nach den Problemen mit der Herstellung sprach DOE von etwa 190 W Leistung beim Vorbeiflug am Pluto. Dies wäre für einen normalen Betrieb der Sonde am Pluto ausreichend (mindestens 182 W sind nötig) und könnte die Sonde sogar bis etwa ins Jahr 2025 funktionsfähig halten. Nachdem im Oktober 2005 der nun fertiggebaute RTG Tests unterzogen wurde, stellte sich heraus, dass der Generator sogar etwas mehr Energie liefert als erwartet. Man geht nun von etwa 240 W am Anfang der Mission und 200 W beim Pluto-Vorbeiflug bei einer Gleichspannung von 30 Volt aus. Typisch für eine RTG-betriebene Mission verfügt New Horizons über keine Akkumulatoren.

Elektronik

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 aus Gründen der Redundanz doppelt vorhanden, so dass 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 (eines dient als Reserve) mit jeweils 8 GByte (64 Gbit) 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, ist 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.

Kommunikation

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 Hochpegelantenne (High Gain Antenna – HGA) mit einem Öffnungswinkel von 0,3 Grad, eine 30 cm Mittelpegelantenne (Medium Gain Antenna – MGA) mit einem Öffnungswinkel von 14 Grad und zwei Schwachpegelantennen (Low Gain Antenna – LGA), die sich auf entgegengesetzten Seiten der Raumsonde befinden. Alle Antennen sind fest am Sondenkörper angebracht, so dass die komplette Sonde auf die Erde ausgerichtet werden muss, damit Kommunikation möglich ist. Die Sonde verfügt über zwei redundante 12 Watt Wanderfeldröhrenverstärker, die unter der HGA montiert sind.

Die Hochpegelantenne und die Mittelpegelantenne werden zur Datenübertragung genutzt, die Datenübertragungsrate der HGA zu einer 70 m-Antenne des Deep Space Networks beträgt dabei beim Pluto etwa 700 Bit pro Sekunde (am Jupiter noch 38 Kbit pro Sekunde). Für den Fall, dass die Sonde nicht auf die Erde ausgerichtet werden kann und diese Antennen nicht zur Verfügung stehen, können die zwei Schwachpegelantennen der Sonde verwendet werden. Diese brauchen nicht auf das Ziel ausgerichtet zu werden, erreichen dafür aber auch nur sehr niedrige Datenraten. Da die Sonde über zwei dieser Antennen verfügt (jeweils eine deckt einen vollen Halbkreis ab), kann sie aus einer beliebigen Lage Signale sowohl senden als auch empfangen. Die Antennen werden während des Starts und zur Kommunikation in der Nähe der Erde verwendet, dienen aber auch einer Absicherung der Kommunikation in einem Notfall.

Um Kosten des Betriebs der Sonde zu senken, wird New Horizons die Flugstrecke zwischen Jupiter und Pluto in einer Art „Winterschlaf“ (hibernation mode) verbringen. Dabei wird die Sonde einmal pro Jahr für 50 Tage „aufgeweckt“, um Funktionstests durchzuführen und genaue Flugparameter zu bestimmen. Für die restliche Zeit wird die Sonde in eine langsame Rotation versetzt ; sie wird dann lediglich einmal pro Woche ein Signal zur Erde senden. Die Frequenz des Signals gibt dann entweder den normalen Betrieb der Sonde oder einen der sieben Fehlermodes an. Diese Art von Kommunikation wurde mit Deep Space 1 erprobt, New Horizons ist die erste Raumsonde, die sie im operativen Einsatz verwendet.

Antriebssystem

Das Antriebssystem der Raumsonde wird nur für Kurskorrekturen und zur Lageregelung verwendet. Es ist nicht vorgesehen, nach dem Abtrennen der Raketenoberstufe die Sonde stark zu beschleunigen bzw. abzubremsen, wie es beispielsweise bei einer Orbiter-Mission notwendig wäre. Das Antriebssystem besteht aus 16 Triebwerken, die Hydrazin verbrennen 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 12 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 führt 77 kg Hydrazin an Bord, welches ausreichen würde, um die Geschwindigkeit der Sonde um ca. 400 m/s zu ändern (minimal waren bei der Missionsplanung 290 m/s vorgesehen). Den größten Teil dieses Treibstoffes plant man zu verwenden, um eines oder mehrere Kuipergürtel-Objekte nach dem Pluto-Vorbeiflug ansteuern zu können. Um den Treibstoff unter Druck zu setzen, wird Helium-Gas verwendet.

Navigationssystem

Navigationssysteme und Sensoren liefern Informationen zur Position, Kurs und räumliche Ausrichtung der Sonde während des Flugs. Diese Daten sind entscheidend, um genaue Kurskorrekturmanöver ausführen zu können, um die Instrumente auf die Ziele und um die Antenne auf die Erde ausrichten zu können.

Zur Navigation werden zwei redundante Sternkameras (Star Tracker), Inertial Measurement Units (IMUs) und Sonnensensoren verwendet. Die Navigationsdaten werden durch das Guidance and Control-Computersystem verarbeitet, welches die Lage der Sonde durch das Zünden der kleinen Hydrazin-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, welche 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.

Temperaturkontrolle

New Horizons ist so konzipiert, dass der Sondenkörper die von der Elektronik erzeugte Wärme wie eine Thermoskanne behalten kann. Temperaturen von 10-30° Celsius sollen im Inneren der Sonde eingehalten werden. Dazu ist der Sondenkörper inklusive der großen Antenne mit einer leichtgewichtigen, goldfarbenen Bedeckung versehen, die aus 18 Lagen Dacron-Gewebe besteht, die zwischen einem aluminisierten Mylar-Gewebe und einer Kapton-Folie 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 Energieverbrauch unter etwa 150 Watt, werden kleine Heizgeräte im Inneren der Sonde eingeschaltet, um den Leistungsunterschied auszugleichen. Wenn sich die Sonde in der Nähe der Erde und damit auch der Sonne befindet, können die Temperaturen die sicheren Werte übersteigen. Für diesen Fall verfügt die Sonde über eine Art Belüftungsschlitze, die geöffnet werden, um übermäßige Wärme in den Weltraum abzustrahlen.

Instrumente

Die Sonde trägt sieben wissenschaftliche Instrumente, die im Folgenden beschrieben werden. 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 etwas unter 28 Watt elektrischer Leistung. [1]

Ralph vor dem Einbau in die Sonde
Ralph
Ralph soll sowohl farbige Karten der Oberflächen des Plutos und Charons mit Auflösungen 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: der Multispectral Visible Imaging Camera (MVIC), welche über vier CCDs für Farbbilder mit drei CCDs für panchromatische (schwarz-weiße) Bilder verfügt, und dem Linear Etalon Imaging Spectral Array (LEISA). Dabei arbeitet MVIC im sichtbaren Lichtbereich bei 400-950 nm Wellenlänge und LEISA im infraroten Bereich bei 1,25-2,50 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 Corporation, Goddard Space Flight Center der NASA und dem Southwest Research Institute entwickelt.
Alice
Ein abbildender Ultraviolett-Spektrometer zur Untersuchung der Atmosphäre von Pluto. Alice kann in zwei Modi betrieben werden: dem „airglow“-Modus, bei dem die Emissionen der Atmosphäre gemessen werden, um dem „occultation“-Modus, bei dem das Instrument auf die Sonne oder auf ein anderes leuchtstarkes Stern durch die Atmosphäre des Planeten gerichtet wird und die Zusammensetzung der Atmosphäre durch das Absorbieren des Sonnenlichts bestimmt. Alice arbeitet im ultravioletten Lichtbereich bei 50-180 nm Wellenlänge und besteht aus einem kompakten Teleskop, einem Spektrograf und einem Sensor, welcher 32 getrennte Flächen („Pixel“) mit je 1.024 spektralen Kanälen aufweist. Alice wiegt 4,5 kg und benötigt im Mittel 4,4 Watt Leistung. Das Instrument ist eine weiterentwickelte Version des Alice-Instrumentes der europäischen Rosetta-Sonde, welches ebenfalls aus den USA kam, und wurde vom Southwest Research Institute entwickelt.
LORRI wird eingebaut
LORRI (Long Range Reconnaissance Imager)
Eine hochauflösende CCD-Kamera 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 wird als erstes Instrument bereits 120 Tage vor der Begegnung mit Pluto Bilder des Planeten und seiner Monde aufnehmen, die zu diesem Zeitpunkt kaum weiter als zu einzelnen Lichtpunkten aufgelöst werden können. 90 Tage vor der Begegnung wird LORRIs Auflösung allerdings bereits die des Hubble-Weltraumteleskopes übertreffen. Bei dem nahen Vorbeiflug am Pluto wird LORRI Strukturen bis 50 m Größe auflösen können. 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)
Ein Radiowellenexperiment, das mit der Hauptantenne der Sonde durchgeführt wird. Dazu werden nach dem Passieren des Plutos mit Hilfe von Antennen des Deep Space Networks 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 zu 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 Kopien von REX. Das Experiment wurde von der Stanford University und dem Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt.
SWAP montiert auf New Horizons
SWAP (Solar Wind Analyzer around Pluto)
Ein Instrument, mit dem geladene Teilchen mit Energien bis zu 6,5 KeV, die aus Plutos Atmosphäre entweichen und von dem Sonnenwind mitgerissen werden, gemessen werden. Dadurch wird festgestellt werden können, 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.
PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation)
ist ein Ionen- und Elektronenspektrometer, das nach neutralen Atomen, die aus Plutos Atmosphäre entweichen und vom Sonnenwind aufgeladen werden, suchen wird. In das Instrument eintretende Ionen mit Energien von 1-5000 KeV und Elektronen mit Energien von 20-700 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.
Student-built Dust Counter
SDC (Student-built Dust Counter)
ist ein Instrument zur Messung von Staubpartikeln entlang der gesamten Flugroute. SDC wurde von Studenten der University of Colorado entwickelt und ist das erste von Studenten gebaute Instrument auf einer planetaren Mission der NASA. SDC wird die auftreffenden Staubpartikel zählen und ihre Masse bestimmen können und wird als erstes Instrument dieser Art weiter als 18 AE von der Erde betrieben und so Informationen zur Kollisionsrate von Asteroiden, Kometen und Kuipergürtelobjekten im äußeren Sonnensystem liefern. Auch in Plutos System wird nach eventuellen Staubpartikeln Ausschau gehalten. SDC besteht aus einer 46 × 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. SDC wiegt 1,9 kg und benötigt im Mittel 5 Watt Leistung.

Ablauf der Mission

Start von New Horizons an Bord einer Atlas V 551-Trägerrakete

Bereits seit Anfang der 1990er Jahre gab es Bestrebungen, eine solche Mission zu Pluto zu starten. Vorrangig war dabei, Pluto zu erreichen, bevor seine dünne Atmosphäre ausfriert, denn die Umlaufbahn des Planeten ist stark exzentrisch, und Pluto erreichte den sonnennächsten Punkt seiner Umlaufbahn (Perihel) bereits 1989. Gegenwärtig entfernt er sich von der Sonne, sodass es auf Pluto immer kälter wird; erst im Jahr 2247 wird er sein nächstes Perihel wieder einnehmen. Die ersten Konzepte einer Mission jedoch (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 zum Kennedy Space Center am Cape Canaveral.

Ende Oktober beschädigte in Cape Canaveral der Hurrikan Wilma einen Festoffbooster 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 zunächst für den 11. Januar angesetzte Starttermin um sechs Tage auf den 17. Januar 2006.

Start

Startdatum Ankunftsdatum
Startfenster 2006
11.-27. Januar 14. Juli 2015
28. Januar 15. August 2015
29.-31. Januar 12. Juli 2016
1.-2. Februar 11. Juli 2017
3.-8. Februar 10. Juli 2018
9.-12. Februar 7. Juni 2019
13.-14. Februar 20. Juli 2020
Startfenster 2007
2.-15. Februar 2019-2020

Nachdem am 17. Januar 2006 der Start wegen zu starken Windes mehrmals verschoben werden musste, sollte New Horizons am 18. Januar 2006 starten, jedoch auch dieser Termin konnte wegen eines Stromausfalls in der Bodenstation der Johns Hopkins University nicht gehalten werden. Am 19. Januar startete, nach mehreren Verschiebungen wegen dichter Bewölkung, New Horizons um 20:00 Uhr MEZ bzw. 19:00 Uhr UTC bzw. 14:00 Uhr EST (Startfenster war von 19:07 bis 21:07 Uhr MEZ offen) zum Pluto. Nach 44 Minuten und 55 Sekunden wurde New Horizons von der Rakete in seiner endgültigen Flugbahn ausgesetzt. Der Start erfolgte mit einer Atlas V(551)-Rakete. Obwohl die Atlas V 551 eine der derzeit stärksten Trägerraketen der Welt ist, musste die Rakete mit einer zusätzlichen Star-48B-Stufe ausgestattet werden, um die Sonde auf eine hohe Fluchtgeschwindigkeit beschleunigen zu können. New Horizons verließ die Erde mit der höchsten je dabei erreichten Geschwindigkeit von 16,21 km/s. (An anderen Tagen des Startfensters wäre die Geschwindigkeit etwas anders gewesen. Besonders bei Starttagen ohne die Möglichkeit eines Jupiter-Vorbeifluges hätte die Geschwindigkeit noch deutlich höher sein müssen). New Horizons soll im Februar 2007 ein Swing-by-Manöver am Planeten Jupiter durchführen und am 14. Juli 2015 Pluto passieren.

Das Startfenster öffnete sich am 11. Januar und blieb (jetzt nur noch theoretisch) bis zum 14. Februar bestehen. Allerdings wäre nur bis einschließlich 2. Februar ein Vorbeiflug am Jupiter möglich gewesen, die letzten zwölf Tage erlauben nur einen direkten Flug zu Pluto, was die Flugzeit um einige Jahre verlängert und die Menge des mitführbaren Treibstoffes um 20 kg reduziert hätte. Die ersten Tage des Startfensters konnten jedoch nicht mehr ausgenutzt werden, da der Start auf den 17. Januar angesetzt wurde.

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.

Auf dem Weg zum Jupiter

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

Am 28. Januar 2006 wurde die erste Kurskorrektur (TCM-1A) durchgeführt, wobei die Triebwerke für etwa 5 Minuten feuerten. Am 30. Januar 2006 folgte die zweite, 12 Minuten lange Kurskorrektur (TCM-1B). Die beiden Kurskorrekturen ergaben eine Geschwindigkeitsänderung von etwa 18 m/s. Eine weitere Kurskorrektur (TCM-2) war für den 15. Februar 2006 geplant, wurde jedoch abgesagt. Die nächste, 76 Sekunden lange Kurskorrektur (TCM-3) erfolgte am 9. März 2006 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, am 13. März folgte der Verschluss 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 Bahn des Planeten Mars[2], im Sommer werden die Kalibrierungen der Experimente beginnen.

Vorbeiflug am Jupiter

Da die Sonde in den ersten 23 Tagen des 2006-Fensters gestartet wurde, wird sie am 28. Februar 2007 ein Swing-by-Manöver am Jupiter durchführen und dabei das Jupiter-System und seine Magnetosphäre etwa vier Monate lang studieren. New Horizons wird dreimal näher als Cassini-Huygens am Jupiter vorbeifliegen, mit der größten Annäherung bei etwa 32 Jupiterradien. Beim Passieren des Jupiters wird die Sonde auf eine Flugbahn zum Pluto umgelenkt, wobei sie um etwa 2,5° aus der Ekliptik herausgeschleudert wird. Auf dem Weg zum Pluto ist auch ein Vorbeiflug an einem Neptun-Trojaner möglich, vorausgesetzt, ein geeignetes Ziel wird gefunden und ist für die Sonde erreichbar. Der Vorbeiflug würde im Jahr 2014 erfolgen, wenn die Sonde sich in der Nähe der Umlaufbahn des Neptuns befinden wird.

Pluto und Kuipergürtel

Die genaue Ankunftszeit am Pluto war sehr vom Startdatum der Sonde abhängig. Nach dem geglückten Start im Januar 2006 soll die Sonde Pluto am 14. Juli 2015 erreichen. Wäre die Sonde nur wenige Tage später gestartet, hätte sie ohne Swing-By am Jupiter auf einer direkten Route zu Pluto fliegen müssen und so erst zwischen 2018 und 2020 ihr Ziel erreicht; bei einem Start 2007 hätte der Vorbeiflug sogar erst zwischen 2019 und 2020 stattgefunden.

Die Beobachtungen des Pluto-Charon-Systems beginnen etwa 150 Tage vor der größten Annäherung. Etwa 120 Tage vor dem Vorbeiflug werden die ersten Bilder erwartet, und 90 Tage vor dem Vorbeiflug wird von den Aufnahmen der LORRI-Kamera das beste Auflösungsvermögen des Hubble-Teleskops übertroffen. Es sollen globale Karten von Pluto und Charon erstellt, Hochauflösungsfotos mit bis zu 25 m pro Pixel Auflösung gewonnen, die Temperaturverteilung gemessen und die Atmosphäre des Pluto studiert werden. Es ist geplant, die Sonde in 9.600 km Entfernung an Pluto und in 27.000 km Entfernung an Charon vorbeifliegen zu lassen. Allerdings sind dies nur Zielparameter, die leicht während des Flugs geändert werden können. Zwei Wochen nach dem Vorbeiflug werden die Beobachtungen beendet, und die Sonde wird die während des Vorbeifluges gesammelten Daten zur Erde zu übermitteln beginnen. Da die Übertragungsrate über diese Entfernung sehr gering ist, werden einige Monate vergehen, bevor alle Daten auf der Erde eingetroffen sind.

Nach dem Vorbeiflug am Pluto wird die Sonde ihre Reise aus dem Sonnensystem hinaus fortsetzen und dabei durch den Kuipergürtel fliegen, wo zwischen 2016 und 2020 Vorbeiflüge an einem oder zwei Kuipergürtel-Objekten mit einer Größe von durchschnittlich 40-90 km Durchmesser möglich sind. Die genauen Ziele dafür müssen jedoch erst gefunden werden und werden erst in der nächsten Dekade festgelegt. Der Ablauf der Beobachtungen bei diesen Objekten sollte der Beobachtung von Pluto ähneln, jedoch begrenzt durch die Abnahmen der Sonnenlichtstärke, der Energie, die der Sonde zur Verfügung steht und der Datenübertragungsrate. Schätzungen gehen davon aus, dass die Sonde bis etwa 2025 genug Energie zu Verfügung haben wird, um Beobachtungen dieser Objekte durchzuführen.

Quellen

  1. ↑ http://www.pluto.jhuapl.edu/spacecraft/instruments.html Daten der Instrumente
  2. ↑ Outbound for the Frontier, New Horizons Crosses the Orbit of Mars

Weblinks

Commons: New Horizons – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien


Siehe auch: Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen

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