Die Voyager-Sonden - die vielleicht größere Leistung als Artemis II?

Liebe Leser und Astronomie-Interessierte,

erst vor kurzem wurde ja die Artemis II-Mission erfolgreich beendet und die 4 Astronauten haben beeindruckende Fotos von Mond und Erde mitgebracht. ^Quelle Angesichts des Hypes erscheint es allerdings so, als ob hier Pionierarbeit geleistet wurde und Ähnliches nicht schon 1969 passiert ist (mit weniger hochauflösenden Fotos und "Chips" mit nur 3-6 Transistoren anstatt Billionen)! Oder ist es tatsächlich erst heuer zum ersten Mal passiert? Fast könnte man es glauben.

Völlig untergegangen in der Wahrnehmung ist jedoch ein anderes Programm der NASA! Das Voyager-Programm ist ein Forschungsprogramm zur Erkundung der äußeren Planeten des Sonnensystems und des interstellaren Raums. Mit einer Entfernung von 25,4 Mrd. km (=170 AE, ca. 23 Lichtstunden) ist Voyager 1 das am weitesten von der Erde entfernte von Menschen gebaute Objekt. Was für eine Ingenieurs-Meisterleistung der 1970er-Jahre! Zur Erinnerung: Der Mond ist gerade einmal 384.000 km von der Erde entfernt 😄

Aus der Not eine Tugend gemacht

Die Planungen dazu stammten aus den 1960er-Jahren, als erkannt wurde, dass die Planetenkonstellation Ende der 1970er ausgesprochen günstig sein würde, gleich mehrere Planeten (Saturn, Uranus, Neptun) in einem Vorbeiflug zu besuchen, indem man Jupiter als "Gravitationsschleuder" (gravity slingshot) benutzte (etwas, was nur alle 176 Jahre passiert). Aus Spargründen war die ursprüngliche Missionsdauer statt auf 10 nur auf 4 Jahre ausgelegt, mit nur 2 statt 4 Sonden, doch die JPL-Konstrukteure, die im Auftrag der NASA die Sonden bauten und testeten, ignorierten das und fertigten die Komponenten und Chips der beiden Sonden ultra-robust gegen die kosmische Strahlung und mit langhaltenden Radionuklidbatterien (siehe weiter unten). Mit dem Ergebnis, dass Voyager 1 nach fast 49 Jahren immer noch wissenschaftliche Daten über den interstellaren Raum an die Erde sendet!

Künstlerische Darstellung: ^Quelle

Die Voyager-Sonden sind rund 800kg schwer und bestehen aus einem zehneckigen Aluminiumring mit einer daran angebrachten 3,66m-Parabolantenne (für die Kommunikation mit der Erde), Schubdüsen und Lagekontrolldüsen für Kurskorrekturen (inkl. ca. 100kg Treibstoff) und zwei Auslegern für Energieversorgung und #Wissenschaftliche_Instrumente" target="_blank" rel="noopener noreferrer">diverse Instrumente und Antennen für Teilchen- und Strahlungsmessungen, und natürlich Kameras (eine für Weitwinkel- und eine für Teleaufnahmen). Die TV-ähnlichen Kameras waren noch analog und die Bilder wurden an Bord der Sonden in 800x800 Pixel große Bilder digitalisiert. Voyager 1 wurde am 5. September 1977 von der NASA von Cape Canaveral aus gestartet, Voyager 2 etwas früher, aber aufgrund deren langsamerer Startgeschwindigkeit hatte Voyager 1 ihre fast baugleiche Schwester-Sonde nach ca. 3 Monaten überholt.

Während Voyager 1 ursprünglich nur Jupiter und Saturn (sowie deren Monde) aus nächster Nähe erkunden sollte und daher eine direktere Route nahm, sollte Voyager 2 alle äußeren Planeten (inkl. Pluto, der heute nicht mehr als Planet eingestuft ist) besuchen. Voyager 1 und 2 waren die ersten, die detaillierte Bilder und Daten von den äußeren Planeten und deren Monden lieferten – darunter die berühmten Aufnahmen von Jupiters Großen Roten Fleck und den Ringen Saturns. Auf dem Jupitermond Io konnte Voyager 1 einen aktiven Vulkan beobachten! Ausserdem entdeckte Voyager 1 zwei neue Monde des Jupiter, Metis und Thebe, sowie einen schwach ausgeprägten Planetenring um Jupiter.

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Eine unglaubliche Reise

Im Nov. 1980 erreichte Voyager 1 Saturn (9 Monate vor Voyager 2) und seinen Mond Titan, in deren Atmosphäre die Sonde Stickstoff und Spuren von Methan, Ethen und anderen Kohlenwasserstoffen feststellte. Nach dem Vorbeiflug an Saturns Südpol erreichte sie eine Endgeschwindigkeit von 17km/s (61.200 km/h) und fliegt seither mit konstanter Geschwindigkeit in einem Winkel von 35° aus der Ekliptik heraus (die Ebene, in der fast alle Planeten um die Sonne kreisen). 1990 machte sie zum letzten Mal Fotos - darunter die berühmte "Pale Blue Dot"-Aufnahme. ^Quelle Dieses Foto ist das aus dem größten Abstand (6,4 Mrd. km) aufgenommene Foto der Erde, die nur ein kleiner Punkt rechts der Bildmitte ist. Die Streifen sind Streulichter der Sonne, da die Optik nicht darauf ausgelegt war, in Richtung Sonne zu schauen. In der Mosaikaufnahme sind auch gleichzeitig Fotos fast aller anderen Planeten gemacht worden (nur Mars wurde von der Sonne überstrahlt), alle aus dieser Entfernung nur Punkte, auch die äußeren Gasriesen - ein historisch einzigartiges Foto des gesamten Sonnensystem von außerhalb! Danach wurden die beiden Kameras der Sonde für immer stillgelegt.

1998 überholte sie die 1973 gestartete Pioneer 10. Um 2003 erreichte sie die Heliohülle (heliosheath) innerhalb der Heliosphäre, die Partikelsensoren maßen ungewöhnliche Werte. In diesem Bereich vermischen sich die Partikel des Sonnenwindes mit interstellarer Materie. Am 16. Dezember 2004 erreichte Voyager 1 die "Randstoßwelle" an der Grenze zur Heliohülle (termination shock), in einer Entfernung von 94 AE (14,1 Mrd. km). Dort wurde der Sonnenwind langsamer und das Magnetfeld wechselte abrupt die Richtung und wurde um 150 % stärker. Außerdem erfasste sie zuvor nicht registrierte Radiostrahlung. 2009 entdeckte sie ein starkes, bisher unbekanntes Magnetfeld - die lang gesuchte Erklärung dafür, warum sich die Lokale Interstellare Wolke nicht auflöst: sie wird von dem Magnetfeld zusammengehalten. Ab 2010 wurde der Sonnenwind noch langsamer und im August 2012 kam es in 121,6 AE (18,2 Mrd. km) Entfernung zu einem deutlichen Anstieg der galaktischen kosmischen Strahlung - Voyager 1 hatte als erstes von Menschen geschaffenes Objekt den interstellaren Raum (außerhalb der Heliosphäre) erreicht und erkundet seither mit mehreren Instrumenten die Umgebung zwischen den Sternen.

Im November 2018 erreichte auch die langsamere Voyager 2 den interstellaren Raum (unterhalb der Ekliptik), nachdem sie zuvor - als bisher einzige Sonde - die Planeten Uranus und Neptun aus den Nähe beobachtet hatte. Mehr zu Voyager 2 hier.

Aufnahme des Neptun durch Voyager 2 vom Sommer 1989. ^Quelle

Da die Leistung der Lagekontrolldüsen mit der Zeit nachließ, beschloss man, um die Parabol-Antenne zuverlässiger in Richtung Erde auszurichten, im November 2017 die vier Kurs-Korrektur-Schubdüsen, die zuletzt im November 1980 in der Nähe des Saturn verwendet wurden (also vor 37 Jahren!) zu aktivieren, was gelang. Dazu musste man die >40 Jahre alte Steuersoftware der Düsen (in einer nicht mehr gebräuchlichen Assembler-Sprache) umschreiben und an die Sonde senden (alles mit 20h Verzögerung, da die Signale von und zur Sonde mittlerweile so lange brauchten). In 2024 musste man aufgrund Problemen mit diesen aber wieder - in einer heiklen Operation - auf die Lagekontrolldüsen umschalten.

2023 fiel ein CMOS-Speicherelement aus und Voyager 1 sendete keine vernünftigen Daten mehr. Nach einem halben Jahr Fehlersuche und Reparatur konnte das Problem behoben werden, indem der Programmcode verändert wurde, sodass die zu übermittelnden Daten an einer anderen Stelle im Speicher abgelegt werden. Auch der Programmcode selbst wurde anders im Speicher verteilt, um die defekten Speicherbereiche zu meiden - ebenfalls eine Wahnsinnsleistung der Programmierer!

Falls nichts Unvorhergesehenes passiert, wird Voyager 1 in ca. 17.500 Jahren genau 1 Lichtjahr (63.000AE) von uns entfernt sein!

In ca. 28.000 Jahren wird sie die Oortsche Wolke (Gesteins- und Eiskörperreste, die bei der Entstehung des Sonnensystems entstanden, so die Theorie), die das Sonnensystem umgibt und einen Durchmesser von ca. 100.000 AE hat, verlassen haben.

Und in etwa 40.000 Jahren wird sie den (derzeit) ca. 17 Lichtjahre entfernten Roten Zwerg Gliese 445 im Sternbild Giraffe in 1,6 Lichtjahren Entfernung passieren. Dieser wird zu diesem Zeitpunkt nur noch 3,45 Lichtjahre von der Sonne entfernt sein, da er sich auf uns zubewegt. Aber wir werden auch im günstigsten Fall keine Daten mehr von dort empfangen können, da die Batterien bis dahin längst erschöpft sein werden und die Sendeleistung für die Entfernung viel zu schwach wäre. Man geht von einem Funkkontakt bis max. 2036 aus.

Das Vermächtnis der Menschheit

Mit an Bord hat Voyager 1 (und 2) die "Golden Record", eine 30cm große Datenplatte mit Bild- und Audio-Informationen über die Menschheit, als Information für Außerirdische. Unter anderem Grüße in 55 Sprachen als Audiofiles ("Herzliche Grüße an alle!" ist die deutsche Version), genauer Inhalt hier. Die Kupferplatten mit einem Goldüberzug als Korrosionsschutz sollen eine geschätzte Lebensdauer von 500 Millionen Jahren haben. Selbst wenn die Menschheit bis dahin längst vergangen ist und die Voyager nur mehr ein ewig dahintreibendes totes Stück Metall, würde diese Platten zumindest Zeugnis über unsere Existenz ablegen. Die Schutzhülle aus vergoldetem Aluminium enthält geringste Mengen des Isotops Uran-238, das während der Flugdauer zu Thorium-234 zerfällt (mit einer Halbwertszeit von 4,5 Mrd. Jahren). Der Zerfall des Isotops kann potentiellen Findern auf diese Weise zur Altersbestimmung dienen - ziemlich schlau! ^Quelle Problematisch ist allerdings, dass auch die Positionsdaten unseres Sonnensystems auf der Plattenhülle (s.o.) angegeben sind, ein potentiell tödlicher Fehler, wenn man Anhänger der @stayoutoftherz/steemit-austria-bookchallenge-5" target="_blank" rel="noopener noreferrer">"Dunkler Wald"-Theorie ist!

Was Voyager 1 derzeit noch an die Erde sendet: Daten von vier noch aktiven Instrumenten (kosmische Strahlung, geladene Teilchen, Magnetfeld und Plasmawellen) plus technische und Telemetriedaten. Alle anderen Instrumente wurden abgeschaltet, um Strom zu sparen oder weil das Instrument seine Funktion eingestellt hat. Den aktuellen Instrumenstatus kann man #instrument-status" target="_blank" rel="noopener noreferrer">hier einsehen. Die Stromversorgung reicht voraussichtlich bis in die frühen 2030er-Jahre - beachtlich für eine Mission, die auf 4 Jahre ausgelegt war😁.

Wie kann Voyager nach fast 49 Jahren immer noch Energie zum Senden haben?

Für Missionen mit großem Abstand zur Sonne sind Solarpaneele (wie im Erdorbit üblich und auch bei ARTEMIS II im Einsatz) nicht geeignet, daher kamen beim Voyager-Programm (wie auch bei späteren Missionen, z.B. New Horizons) drei Nuklearbatterien (genauer Radioisotopen-Thermoelektrogeneratoren) mit Silizium-Germanium-Thermoelementen zum Einsatz, die unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts eine Temperaturdifferenz direkt in elektrische Energie umwandeln. Als Wärmequelle enthielten die Batterien beim Start je 4,5 kg Plutonium-238 in Form von Plutoniumdioxid-Pellets (PuO₂), einen α-Strahler mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren, wobei der α-Zerfall kontinuierlich Wärme abgibt (ohne Kettenreaktion oder bewegliche Teile). Jede der drei Batterien wiegt 39 kg und besitzt ein mehrfach abgeschirmtes Gehäuse. Die Batterien sind an einem Ausleger befestigt (siehe Grafik oben), damit die Bordelektronik und die empfindlichen wissenschaftlichen Instrumente möglichst wenig durch die Strahlung beeinflusst werden.

Zum Zeitpunkt des Starts stand eine Leistung von insgesamt 470 Watt zur Verfügung. Aufgrund des Zerfalls des Plutoniums reduziert sich die thermische Leistung um jährlich 0,79 %. Mit fallender Temperatur der Nuklearbatterie fällt zusätzlich der Wirkungsgrad, außerdem altern die Thermoelemente, sodass der jährliche Leistungsverlust bei insg. etwa 5W liegt. Daher mussten mit der Zeit immer mehr wissenschaftliche Geräte und Funktionen abgeschaltet werden, um genug Energie für die Steuer- und Kommunikationssysteme übrigzulassen. Auch wenn die Sonde ohne Richtungsänderung oder Beschleunigung konstant fliegt, muss sie sich um ihre eigenen Achsen drehen, um die Antenne (aufgrund der geringen Sendeleistung) genau in Richtung Erde zu halten (die sich ja ständig bewegt). Dabei wird auch Hydrazin-Treibstoff verbraucht, aber der reicht noch bis mindestens 2040. Die Stromversorgung ist der limitierende Faktor. Heute stehen noch ca. 220W zur Verfügung, wobei der Sender allein 20W braucht.

Diese einfache, robuste und extrem zuverlässige Technik aus den 1970er-Jahren macht die Voyager-Sonden zum langlebigsten Raumfahrtprojekt der Menschheit. Dazu beigetragen haben auch die JPL-Ingenieure, über die und die zunehmenden Altersbeschwerden der Sonden Carl Sagan schon 1990 gesagt hatte "The JPL-programmers and engineers got smart faster than the spacecraft got stupid". Es ist auch eines der effektivsten (Gesamtkosten inflationsbereinigt ca. 4 Mrd.$ bis heute (ca. 55 Jahre!), Artemisprogramm bisher ca. 100 Mrd.$)

Randnotiz: In den 1970-er Jahren war das Ins-All-Schiessen von 14kg radioaktivem Plutoniumdioxid (das sich beim Absturz der Rakete über die Erdoberfläche verteilen hätte können) noch kein Thema, aber bei der späteren Cassini-Huygens-Mission zur Erforschung des Saturn und insb. seines Mondes Titan war es ein Riesenthema. Die „Stop Cassini“-Bewegung hatte sich während der Planung der Sonde Ende der 1980-Jahre gebildet und wollte den Start verhindern angesichts von Berechnungen, dass im Falle eines Fehlstarts austretendes Plutonium den vorzeitigen Tod von Millionen Menschen verursachen könnte. Die Proteste waren aber vergebens, die Sonde startete planmässig und hat bis zu ihrem Verglühen im Saturn 2017 viele extrem interessante Erkenntnisse über Titan, Enceladus und andere Saturnmonde gebracht.

Quellen: https://de.wikipedia.org/wiki/Voyager_1 https://science.nasa.gov/mission/voyager/ https://science.nasa.gov/blogs/voyager/ https://www.spektrum.de/news/voyager-1-zuendet-alte-schubduesen/1524131 #Die_%E2%80%9EStop_Cassini%E2%80%9C-Bewegung" target="_blank" rel="noopener noreferrer">https://de.wikipedia.org/wiki/Cassini-Huygens#Die_%E2%80%9EStop_Cassini%E2%80%9C-Bewegung