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Voyagers Mission: Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und zu den Sternen

  • ️Bernd Leitenberger
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Teil 1 dieser zweiteiligen Reihe über die Voyager Raumsonden behandelt die Technik der Sonden und ihre Instrumente. In diesem Teil geht es um die Mission der Sonden zu Jupiter, Saturn und die äußeren Planeten.

Der Start und der Flug zu Jupiter

Voyager 1 StartObwohl die Voyager Raumsonden wesentlich kleiner als die des OPGTP Projektes waren, war die stärkste Trägerrakete der USA nötig. Es war die Titan 3E Centaur, die nur sieben Mal für planetare Missionen eingesetzt wurde (Siehe auch meine Titan Seite). Doch auch die Titan 3E benötigte eine weitere (fünfte) Stufe um die Sonden auf die nötige Endgeschwindigkeit zu befördern, so wurde eine TE-364/4 Oberstufe mit festen Treibstoff an die Raumsonde montiert, die weitere 1120 kg wog (davon 1039 kg Treibstoff). Es gelang bei Voyager übrigens den Preis der Sonden sehr genau einzuhalten. Die Voyager Sonden kosteten 335 Millionen USD. Genehmigt waren 360 Millionen. Dazu kamen noch die Trägerraketen und die Operation. Bei Saturn waren so Kosten von 500 Millionen USD angefallen und nach dem Neptun Vorbeiflug 865 Millionen USD (Dies umfasste auch die Umrüstung des DSN von 64 auf 70 m Antennen). Der volle Betrieb beider Sonden (Kosten durch das Deep Space Network DSN und die wissenschaftlichen Teams) kostet pro Jahr zirka 30 Millionen Dollar. Seit 1990 ist dieser aber stark heruntergefahren worden.

Startfenster gab es in den Jahren 1976-1979. In dieser Zeit konnte eine Sonde alle äußere Planeten erreichen. Die optimale, kürzeste Bahn hätte es bei einem Start im September 1978 gegeben. Man entschloss sich für einen Start 1977, da man so eine zweite Chance gehabt hätte, falls eine oder zwei Sonden das 1977 er Startfenster verpasst hätten. Dazu bot das 1977 Startfenster die besten Beobachtungsmöglichkeiten für die Galileischen Monde. Das 1976 Startfenster wäre für eine Jupiter-Saturn-Pluto Sonde günstig gewesen, das 1979 er Startfenster für eine Jupiter-Pluto oder Jupiter-Uranus-Neptun Sonde.

Die Flugbahnen waren so abgestimmt, das Voyager 2 (die am 20.8.1977 als erste startete) 4 Monate nach Voyager 1 (gestartet am 5.9.1977) bei Jupiter ankam, so das deren Messprogramm begann, als das von Voyager 1 endete. Da Voyager 2 auf einer langsameren Bahn flog, ergab sich auch der Widerspruch in der Namengebung, den Voyager 2 wurde ja vor ihrer Schwestersonde gestartet. Voyager 1 musste den Jupiter vor dem 4.4.1979 erreichen um Io nahe passieren zu könne. Eine Io Passage wird mit einer Annäherung auf 4.6 bis 6 Jupiterradien erkauft. Andererseits musste Voyager 2 Jupiter nach dem 15.6.1979 erreichen. Eine frühere Passage hätte keinen Flug zum Uranus zugelassen. Vor dem 15.6.1979 hätte eine Raumsonde die Saturnringe passieren müssen um von Saturn zu Uranus umgelenkt zu werden. Dazu musste die Sonde sich moderat Jupiter nähern (auf 8-10 Jupiterradien), damit sie nicht so stark beschleunigt wird und so Saturn etwas weiter gewandert war und man sich ihm nicht so stark nähern muss, damit er die Sonde weiter zu Uranus katapultiert. Man teilte daher die Sonden auf: Voyager 1 sollte das Pflichtprogramm absolvieren, aber auch die beiden interessantesten Monde Io und Titan aus der Nähe erkunden. Dagegen hatte Voyager 2 eine Backupfunktion mit der Möglichkeit wenn Voyager ihre Mission ohne Probleme absolviert weiter zu Uranus zu fliegen. Voyager 2 hätte bei einem Ausfall von Voyager 1 nach der Jupiterpassage auch noch bis auf 15000 km an Titan herangelenkt werden können, allerdings wäre dann eine Uranuspassage nicht mehr möglich gewesen, da die Sonde die Ringebene schon bei Titan 18 Stunden vor der nächsten Begegnung gekreuzt hätte und so auf eine Bahn aus der Ekliptik heraus gelandet wäre.

Die folgende Tabelle informiert über die geplanten Bahnen der Sonden vor dem Start.

Voyager 2 Start

Trajektorie Jupiter-Saturn-Titan Jupiter-Saturn-Uranus Jupiter-Saturn-Titan Backup
Startdatum 1.9.1977 20.8.1977 20.8.1977
Jupiter Ankunft 5.3.1979 9.7.1979 9.7.1979
niedrigste Distanz 278460 km 642600 km 642600 km
Annäherung an Amalthea 415000 km 550000 km 550000 km
Annäherung an Io 22000 km - -
Annäherung an Europa 733000 km 201000 km 201000 km
Annäherung an Ganymed 115000 km 55000 km 55000 km
Annäherung an Callisto 124000 km 220000 km 220000 km
Korrektur nach Jupitervorbeiflug 100 m/s 60 m/s 60 m/s
Ankunft Saturn 13.11.1980 27.8.1981 27.8.1981
niedrigste Distanz 144700 km 102560 km 138760 km
Annäherung an Hyperion 869000km - 889000 km
Annäherung an Titan 7000 km 353000 km 15000 km
Annäherung an Rhea 59000 km 254000 km 199000 km
Annäherung an Dione 139000 km 91000 km 196000 km
Annäherung an Tethys 414000 km 159000 km 150000 km
Annäherung an Enceladus 229000 km 94000 km 102000 km
Annäherung an Mimas 96000 km 33000 km 150000 km
Ringebene durchstoßen 362000 km 114630 km 281330 km

Dieser Flugplan stimmt mit den Trajektorien bei Jupiter noch überein. Doch bei Saturn gibt es bei Voyager 2 schon Unterschiede von 20000 bis 30000 km zu den Planungen. Voyager 1 näherte sich auch Saturn viel näher. Für Voyager 2 wurde dann eine neue Trajektorie ausgedacht, da es bei der ursprünglichen Trajektorie keine Bedeckungsexperimente gab und man mittels des Photopolarimeters die Ringzahl bestimmen wollte.

Wenige Tage nach dem Start machten beide Sonden bei den ersten Instrumententests einige Testbilder von Erde und Mond. Am 18.9.1977 übertrug Voyager 1 die ersten Testbilder von Erde und Mond zur Erde. Am 15.12.1977 überholte Voyager 1 ihre Schwestersonde. Zu diesem Zeitpunkt waren die Sonden schon 1.75 AE von der Erde entfernt, also außerhalb der Marsbahn. Bei Voyager 1 wurde der Start zum Krimi: Ein Fehler im Bordcomputer der Centaur bewirkte, dass diese Oberstufe überflüssig viel Treibstoff verbrauchte und bei Brennschluss nur noch 3 Sekunden Reserve hatte. Voyager gelangte auch auf eine weiter entfernte Bahn um die Sonne mit einem sonnenfernsten Punkt in 1340 Millionen km Entfernung und erreichte mit 15043 m/s eine höhere Startgeschwindigkeit als ihre Schwester Voyager 2, die sich nur auf 939 Millionen km von der Sonne entfernt und nur eine Startgeschwindigkeit von 14485 m/s brauchte. Dadurch würde Voyager 1 aber auch Jupiter 3 Monate früher erreichen.

Dabei hatte Voyager 1 sehr viel Glück. Die Sonde musste ja schon stärker beschleunigt werden als ihre Schwester und dann gab es noch ein Problem beim Start. Die letzte Stufe der Titan schaltete vorzeitig ab und verbrannte 544 kg Treibstoff nicht. Dadurch fehlte ein Quäntchen an Geschwindigkeit. Die Centaur musste dadurch länger brennen und hatte bei Brennschluss nur noch für 3.4 Sekunden Treibstoff (etwa 104 Kilogramm).

Erde und MondVoyager 2 entwickelte sich schon bald nach dem Start zum Sorgenkind. Zuerst gab es Probleme mit dem Ausleger, der die Instrumente trug. Er ließ sich nicht ausfahren, als dies endlich gelang, entdeckte man 207 Tage nach dem Start, das man zu lange nicht mit der Sonde korrespondiert hatte. Der Fehlerkorrekturalgorithmus des CCS dies folgerichtig als Ausfall des Hauptempfängers und schaltete diesen am 2.4.1978 in 2.81 AE Entfernung ab. Der Reserveempfänger hatte jedoch ein fehlerhaftes Bauteil und kann die Frequenz des Senders nicht anpassen. Im Normalfall misst der Empfänger die Intensität des Signals und verfolgt diese auf verschiedenen Frequenzen und bleibt immer bei der Frequenz mit der höchsten Signalstärke. Da die Frequenz durch die Bewegung der Sonde, der Erde und die Drehung der Erde durch die Dopplerverschiebung sich laufend ändert, fiel so immer wieder der Funkkontakt aus, nachdem Voyager 2 die Frequenz nicht mehr ändern kann.

Am 6.4.1978 schwenkte man durch Kommando wieder auf den primären Sender um. Dieser fiel aber einige Tage später endgültig aus und so musste man mit dem defekten Reservesender leben. Man löste das Problem indem man nun beim Senden von der Erde aus künstlich die Frequenz so verändert, das beim Raumschiff immer dieselbe ankommt. Dabei muss man die Frequenz so genau halten, dass ein Frequenzinterval von 96 Hz eingehalten wird - bei einer Sendefrequenz von etwa 7 GHz entspricht dies einer Genauigkeit von 1:70 Millionen. Schon eine Erwärmung um 0.25 Grad Celsius an Bord reicht aus die Empfangsfrequenz um 96 Hz zu verschieben. Neben der laufenden Anpassung an die Relativgeschwindigkeit der Sonde war es so auch notwendig die Temperatur an Bord konstant zu halten.

Anfangs gab es daher immer wieder Abbrüche der Kommunikation mit Voyager 2. Mit steigender Sonnenentfernung entspannte sich aber das Temperaturproblem.

Als am 23. Februar 1978 eine Kalibrier-Übung bei Voyager 2 angesetzt wurde, klemmten die Zahnräder des Antriebes der Plattform, auf welcher die Fernsehkameras montiert sind. Während der folgenden drei Monate kam man zur Schlussfolgerung, dass sich ein weicher Fremdkörper zwischen den Zähnen festgesetzt hatte. Durch wiederholte Betätigung des Antriebes wurde der Fremdkörper anscheinend zerquetscht und der Antrieb wieder freigegeben.

150 Tage nach dem Start fand das erste Korrekturmanöver statt, kurz vor Jupiter dann ein zweites um den Kurs zu Saturn festzulegen. Bei Voyager 2 zum Beispiel am 27.6.1979 um 2.07 km/h (3.19 sec lang die 16 Düsen gezündet). Ansonsten war die "Cruise Phase" nach dem Start ereignisarm. In den ersten 30 Tagen wurden die Instrumente ausgefahren und geprüft, danach gab es alle 2 Monate eine 20 Stunden dauernde Wissenschaftsphase, in der das UVS und PPS den Sternenhimmel untersuchen und die Teilcheninstrumente eingeschaltet wurden. Die Beobachtung von Jupiter begann 80 Tage vor dem Vorbeiflug. nun bekamen die Sonden auch die Unterstützung der 64 m Antennen des DSN.

Die Mission bei Jupiter bestand darin, alle 4 Monde geschickt zwischen beiden Sonden aufzuteilen und das Jupitersystem über einen Zeitraum von 6 Monaten zu beobachten um die Zirkulation der Atmosphäre zu untersuchen. Erste Bilder gab es schon recht früh, die eigentliche "Encounter" Phase begann allerdings erst, wenn der Planet zirka 200 Pixels groß ist, das ist zirka 75-80 Millionen km vom Jupiter entfernt der Fall. 30 Tage vor dem Vorbeiflug bekamen die Sonden einen 24 Stunden Support durch das DSN. 12 Tage vor der Begegnung wurde die wissenschaftliche Aktivität kurzzeitig eingestellt um das letzte Kurskorrektormanöver durchzuführen, welches die Sonde zum Saturn brachte. Einen Tag vor und nach dem Vorbeiflug gibt es die höchste Aktivität bei der Jupiter, die Ringe und die Monde untersucht wird. Danach sieht die Sonde nur einen Viertel Jupiter. 40 Tage nach dem Vorbeiflug werden die Beobachtungen eingestellt.

Voyager 1 untersuchte Io und musste dabei wesentlich näher an den Planeten, dadurch wurde auch die Sonde stärker beschleunigt und konnte so den Vorsprung gegenüber ihrer Schwestersonde ausbauen. Beide Sonden wurden durch die Jupiterpassage so beschleunigt, das ihre Geschwindigkeit ausreicht um das Sonnensystem zu verlassen.

Voyagers Bahn im Jupitersystem
Ziel Voyager 1 Voyager 2
Jupiter 278.000 km 643.000 km
Amalthea 420.100 km 558.270 km
Io 18.640 km 582.000 km
Europa 732.270 km 204.030 km
Kallisto 123.950 km 212.050 km
Ganymed 112.030 km 59.530 km
Beginn Encounter 6.1.1979 25.4.1979
Distanz 80 Millionen km 75 Millionen km
Ende Encounter 13.4.1979 5.8.1979
nächste Distanz 5.3.1979 9.7.1979
Anzahl Bilder 17477 13350

Wie man deutlich sieht wurden die beiden Monde Ganymed und Kallisto von beiden Sonden fotografiert, wobei sich beide Sonden ergänzten, da eine die dem Jupiter zugewandte und die andere die abgewandte Seite beobachtete. (Die meisten Monde der Gasplaneten rotieren wie unser Mond gebunden, d.h. die Rotationsperiode ist genauso lange wie die Umlaufszeit, und jeweils eine Seite ist immer dem Planeten zugewandt oder abgewandt). Anders sieht es bei Europa und Io aus, hier gibt es gute Aufnahmen nur von einer Halbseite die entweder Voyager 1 (Io) oder Voyager 2 (Europa) lieferte. Ganz nebenbei entdeckten die Sonden noch 3 neue Monde und einen Ring um Jupiter.

Voyager 1 passierte alle Monde innerhalb von 30 Stunden nach der Jupiterpassage. Voyager 2 hatte noch mehr Zeit, da sie den Jupiter in größerer Distanz passierte und so geringer beschleunigt wurde. Hier dauerte die Passage 35 Stunden. Voyager 2 passierte die Monde vor der Begegnung mit Jupiter. Voyager 1 danach. So konnten die Sonden wegen der gebundenen Rotation der Monde die gesamte Mondoberfläche erfassen. Jupiter beschleunigte die Sonde um 16 km/s bei einem Treibstoffverbrauch von 5 kg für kleine Kurskorrekturen. Hätte die Sonde diese Geschwindigkeit mit Hydrazin als Treibstoff erreichen wollen, sie hätte einen Vorrat von 1450.000kg gebraucht.

Bei Jupiter konnte noch die höchste Datenrate ausgenutzt werden: Mit 115.200 Bit/s konnten Bilder innerhalb von 48 Sekunden zur Erde übertragen werden. (Schneller als im Jahre 1999 das Internet über Telefonleitungen und das im Jahre 1979.) Die Trajektorie war nach den Ergebnissen von Pioneer 10 Gegenstand heißer Diskussionen. Jupiters Strahlungsgürtel war 1000 mal stärker als der der Erde und je näher die Raumsonde ihm kam, desto mehr musste Sie einstecken. Dabei war Voyager durch die vielen elektronischen Bauteile und integrierten Schaltungen wesentlich empfindlicher als Pioneer. Einige Wissenschaftler wollten Io nahe passieren, andere plädierten für eine größere Entfernung, die sicherer für die Sonde war. Man entschloss sich eine Sonde nahe an Io heranzuführen. Sollte Voyager 1 ausfallen, so könnte Voyager 2 immer noch zu Saturn gelangen.

Rohes Voyager Jupiter BildDie Monde waren auch das eigentlich spektakuläre der Mission. Da diese klein sind (im Vergleich zur Erde) und sich weit außen im Sonnensystem befinden, nahm man an, diese würden aussehen wie der Mond oder Merkur, von denen man schon Oberflächenaufnahmen hatte und die so groß wie Io/Europa bzw. Kallisto/Ganymed waren. Es gab deswegen auch ursprünglich nur einen Spezialisten für planetare Oberflächen im Team. Doch durch die starken Zentrifugalkräfte Jupiters waren die Mond geologisch um so aktiver je näher sie Jupiter waren. Io hatte sogar 9 aktive Vulkane. Als man diese entdeckte änderte man das Beobachtungsprogramm von Voyager 2. Zwar würde diese dem Mond nicht nahe kommen, aber die Vulkane waren so groß, dass man sie aus größerer Entfernung würde beobachten können. Tatsächlich zeigten sich Veränderungen: Einige Vulkane waren inzwischen erloschen, weitere neue inzwischen ausgebrochen. Bei Jupiter hatte man noch genügend Zeit für die Beobachtung: Die Monde hatten große Abstände zu Jupiter und waren sehr groß, so dass man sie schon aus größerer Entfernung fotografieren konnte. Zudem hatte man eine viel höhere Datenrate als bei Saturn, Uranus und Neptun zur Verfügung. Jede Voyager Sonde übermittelte über etwa 30 Stunden einige Hundert Aufnahmen der Monde.

Ein Experiment gab es nach dem Vorbeiflug als Jupiter die Sonne verfinsterte: Tobias Owen wollte für Voyager 1 eine langzeitbelichtete Aufnahme die eigentlich nichts zeigen sollte. Der Grund: Er vermutete einen Ring um Jupiter. 2 Jahre vorher hatte man einen solchen indirekt bei Uranus gefunden als die Uranusringe einen Stern verfinsterten. Warum sollte also Jupiter nicht einen Ring haben ? Das Dumme war nur, das Es außer einigen zusätzlichen Einschlägen im Mikrometeoritendetektor von Pioneer 10 keinen Beweis für einen Ring gab. Voyager machte seit 2 Monaten Aufnahmen des Jupiters, aber sah auch keinen Ring. Wenn der Ring jedoch sehr dünn war könnte man ihn nur sehen wenn die helle Lichtquelle Jupiter ausgeblendet wäre. Owen bekam eine einzige Aufnahme, die allerdings 11 Minuten lang belichtet wurde. Nach 6 Tagen Auswertung sah man 6 Ringe, da sich Voyager 1 während dieser Zeit mehrmals ruckartig bewegt hatte.

Aufgrund der Entdeckungen von Voyager 1 wurde die Flugbahn von Voyager 2 geändert, um

  • den neu entdeckten Ring aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten,
  • Vulkantätigkeit auf Io weiter zu erforschen und
  • die Nachtseite von Jupiter näher zu untersuchen.

Die Sonde wurde um 7000 km näher an den Jupiter herangeführt als ursprünglich geplant. Als Voyager 2 den Jupiter passierte machte sie ein Mosaik der Jupiterringe. Auf Aufnahmen von Voyager wurde in den 90 er Jahren ein weiterer dünner Ring außerhalb des äußersten Rings gefunden. Wie bei den meisten Sonden standen natürlich die Wissenschaftler des ISS Teams im Mittelpunkt der Berichterstattung, konnte man sich doch den Eindrücken der Bilder nicht entziehen. Andere Teams, die Instrumente betreuten die keine Bilder lieferten hatten es da schwerer, doch lieferte das Photopolarimeter Daten über die Zusammensetzung von Jupiter, UVS konnte eine dünne Wolke um Io nachweisen und IRIS bestimmte die Zusammensetzung der Bänder und Zonen. Besonders einfallsreich waren die Techniker des Plasmawelleninstruments: Ihr Instrument maß im Bereich von 40 Herz bis 56 KHz, das deckt sich weitgehend mit dem Bereich in dem Menschen hören. So wurden die Daten des PWS über einen Lautsprecher ausgeben und man konnte Jupiters Magnetosphäre hören: Das ganze hörte sich je nachdem wo sich Voyager befand an wie eine Mischung von Walgesang, Regen auf einem Blechdach und einem vorbeifahrenden Rennwagen.

Der einzige Ausfall bei der Passage von Jupiter war das Photopolarimeter an Bord von Voyager 1. Egal wohin man es richtete. Es lieferte einen Nullwert. Die ausgefallenen Messungen konnten von Voyager 2 nachgeholt werde. Am 13.12.1979 verlor man nach einer Kurskorrektur von Voyager 1 in 1061 Millionen km Entfernung kurzzeitig den Kontakt. Die Sonde richtete sich jedoch selbstständig auf die Erde aus und man bekam nach einigen Stunden wieder eine Funkverbindung.

Saturn und darüber hinaus

Vorbeiflug Voyager 1 am SaturnDer Saturn Vorbeiflug trennte die Bahnen der beiden Sonden endgültig. Nachdem Voyager 1 schon durch die nahe Begegnung an Jupiter auf eine schnellere Bahn gelangt war, sollte Sie nun den Mond Titan in kurzer Distanz passieren. Man wusste schon damals, das dieser Mond eine Atmosphäre besitzt, welche Methan enthält. Manche Wissenschaftler hielten es möglich, dass die Temperatur so hoch ist, das eventuell Leben auf diesem Mond entstehen könnte. So war Titan der interessanteste Mond im Saturnsystem. Die Bahn wurde dadurch aber südwärts gelenkt, die Sonde wurde um den Saturn Südpol geschleudert und verlässt seitdem das Sonnensystem in einem Winkel von 35 Grad zur Ekliptik. Voyager 1 erreichte den Saturn am 12.11.1980, 9 Monate vor ihrer Schwester. Fotographisch war Titan ein Reinfall - seine Oberfläche zeigte durch eine Atmosphäre voller Smog keinerlei Details. Am 11.11.1980, einen Tag vor der Begegnung gab es Bilder mit 20-20 km Auflösung pro Pixel auf denen man keinerlei Details sah. Danach programmierte man die Kameras um, dass sie nun auf den Rand der Atmosphäre schauten um wenigstens diese aufzunehmen. Die Instrumente IRIS und UVS zur Bestimmung der Zusammensetzung der Atmosphäre brachten aber interessante Resultate, auch wenn es auf dem Mond selbst zu kalt für Leben ist. Man erkannte das Titan eine sehr ausgedehnte und dichte Atmosphäre vorwiegend aus Stickstoff aber auch mit Spuren von Methan, Ethylen und Cyankohlenwasserstoffen hat. So steht Titan auch im Mittelpunkt der Sonde Cassini, das Ihn als Sprungbrett benutzt und mit RADAR untersuchen soll und die Sonde Huygens soll sogar auf Ihm landen. Die Aufnahmen der Cassini Kamera zeigen übrigens trotz höherer Empfindlichkeit im Infraroten den Boden verwaschen. Nur VIMS von Cassini kann den Dunst durchstoßen, doch die Auflösung dieses Instrumentes ist sehr gering.

MimasGott sei Dank folgte man nicht dem Vorschlag Gary Flandro's die Sonde durch die Cassini Lücke zu schicken: Es zeigte sich, dass die Lücke nicht leer war, sondern sich auch dort Ringe befanden. Eine weitere wichtige Entscheidung war die Flugroute um Titan. Wie bei Jupiter war Titan als so wichtiges Ziel eingeordnet worden, dass Voyager 1 ihn nahe passieren sollte und man sich für Voyager 2 die Route über Uranus und Neptun freihielt. Doch wie sollte man Titan passieren ? Wissenschaftlich am sinnvollsten war ihn von der Erde aus gesehen über die Rückseite zu passieren. doch dann verlor man die Kommunikation mit der Erde und gäbe es ein Problem, z.B.. wenn die Atmosphäre so hoch reichte, dass sie die Sonde beschädigte, so hätte man die Daten von den Ringen und Titan verloren. Man entschloss sich zu einer Passage hinter Titan, hielt die Distanz aber bei einer sicheren Entfernung von 6490 km.

Bei Saturn sank die Datenrate schon auf 44.800 Bits/sec. Trotzdem konnten genauso viele Fotos gemacht werden, da die Sonde wesentlich früher anfing mit dem "Knipsen" von Bildern, da man das Ringsystem mit abbildete. (Durchmesser Saturn mit Ringsystem 278.000 km, Jupiter nur 143.000 km). Allerdings zeigten erst die Bilder aus größer Nähe die Ringe in viele Teilringe aufgelöst und auch Wolkendetails auf Saturn.

Auch bei Saturn wurden die Beobachtung der Monde zwischen den Sonden aufgeteilt: Voyager 1 flog nahe an den Monden Mimas (Bild links, wegen seines Kraters oft als "Star Wars Mond" bezeichnet), Dione, Rhea und Titan vorbei und Voyager 2 an den Monden Enceladus, Tethys, Hyperion, Iapetus und Phoebe. Allerdings war das Messprogramm wesentlich gedrängter, da sich die Monde Mimas, Enceladus, Tethys, Dione und Rhea recht nahe bei Saturn befanden. Voyager passierte alle innerhalb von 10 Stunden nach dem Saturnvorbeiflug - Bei Jupiter dauerte es noch 30 Stunden um von Jupiter zu Kallisto, dem äußersten Saturnmond zu kommen. Entsprechend gab es weniger Bilder von den Monden und vor allem die Instrumentenplattform musste Schwerstarbeit leisten und von einem Ziel zum anderen schwenken, denn zwischen den Monden galt es auch noch die Ringe aus der Nähe zu untersuchen. Nach den Erfahrungen mit Jupiter hatte man weitere Speziallisten für Planetare Monde und Ringe ins Kamerateam geholt und dieses war nun 26 Personen stark. Vor Jupiter waren es nur 7.

Dione Aufnahme von Voyager 1Voyager 1+2 entdeckten auch neue Monde. Die meisten befanden sich nahe der Ringe und hielten als "Hirtenhunde" deren Kanten scharf. Einige befanden sich aber auch im selben Orbit wie bekannte große Saturnmonde, aber um 60 ° vor oder hinter diesen. Diese Librationspunkte sind stabile Punkte im Dreikörpersystem Saturn-Mond-Kleinmond. Bei Jupiter sammeln sich 60 ° vor und nach seiner Bahn einige Planetoiden, doch bei einem Mond um einen Planeten war dieses Phänomen neu.

Beide Sonden entdeckten zahlreiche weitere Monde bei dem Vorbeiflug. Dazu kamen neue Ringe und die Erkenntnis, das die Ringe aus tausenden von Einzelringen bestanden. So war die Pause von 9 Monaten zwischen den Vorbeiflügen ideal um für Voyager 2 festzulegen, welche Rätsel die Voyager 1 aufwarf, genauer untersucht werden sollten. So konnte man bei Voyager 2 die genaue Struktur der Saturnringe die bei den Aufnahmen von Voyager 1 auffiel, besser untersuchen und auch die Natur der verdrillten Ringe und Speichen klären. Voyager 2 erreichte am 25.8.1981 den Saturn. Die Leistung der Flugingenieure kann man erst ermessen, wenn man sieht, dass Cassini erst nach dem 7.ten Orbit alle Saturnmonde in einer Distanz besucht hat die genauso gut oder besser als die von Voyager ist. Man hat das Kunststück fertig bekommen, die Bahnen so zu legen, dass man jeden Mond mindestens aus mittlerer Entfernung fotografieren konnte. Die inneren Monde ab Rhea sogar durch beide Sonden gleichzeitig. Dabei navigierten sie äußerst präzise und sparten so Treibstoff für Kurskorrekturen, Voyager 2 verfehlte seinen Zielpunkt nur um 50 km und seine Ankunftszeit um 3 Sekunden. Am wichtigsten war am Vorbeiflugtag das Photometer. Das Photometer hatte auf beiden Sonden bei Jupiter Probleme. Bei Voyager 1 war es vor der Saturnbegegnung ausgefallen. Das Photometer konnte aber viel genauer als die Kameras die Ringbreiten untersuchen. Dazu richtete man das noch funktionsfähige Photometer auf den Stern Delta Scorpio aus und maß dessen Helligkeit während die Sonde an den Ringen vorbei flog und diese das Licht abschwächten. Über 150 Minuten lieferte das PPS die wichtigsten Daten des gesamten Fluges. Die Kameras hatten bei Voyager 1 etwa 100 Ringe gezeigt. Besser Aufnahmen von Voyager 2 aus einem besseren Blickwinkel zeigten etwa 1000 Ringe, doch das Photopolarimeter maß über 100.000 mal einen Lichtabfall durch Ringe und maß die Feinstruktur bis zu einer Auflösung von 100 m.

Nach der Passage von Saturn flog Voyager 1 mit großer Geschwindigkeit davon, die Sonde wurde erheblich stärker als ihre Schwestersonde beschleunigt und hat so inzwischen auch Pioneer 10 als entfernteste Sonde überholt. Derzeit beträgt die Geschwindigkeit 17.3 km/sec. Dazu verhalf ihr die Bahn die man einschlagen musste, um die Ringe und Titan gut beobachten zu können, als Folge davon verließ die Sonde aber die Ekliptik und konnte so keinen weiteren Planeten mehr anfliegen.

Speichen in den RingenJedoch kam es beim Saturn Encounter von Voyager 2 auch zu einem folgenschweren Unfall. 110 Minuten nach der nächsten Annäherung, zeigten die Kameras nicht mehr dahin wo sie sollten. Sie nahmen nur noch den schwarzen Weltraum auf. Zuerst vermutete man, das Teilchen der Ringe den Arm beschädigt hatten, denn es gab nach der Passage von Saturn 3000 km außerhalb des G Ringes merkwürdige Telemetrie und auch die Steuerdüsen wurden außerplanmäßig vom Bordcomputer gezündet um die räumliche Orientierung der Sonde einzuhalten.

Die Probleme mit anderen Systemen waren jedoch nur temporär und vergingen wieder. Die Scanplattform konnte aber im Azimut nicht bewegt werden. Sie stoppte durch Computersignal, als dieser bemerkte, dass sie nicht korrekt ausgerichtet war in einer Position in der Sonnenlicht die Experimente beschädigen konnte. Zuerst brachte man die Plattform daher durch Funkbefehl in einen sicheren Modus. Dann rief man den Bandrekorder mit den letzten Bildern und den Daten ab um den Fehler zu finden. Von 6 Bildern eines Thetys Mosaiks zeigte nur eines einen Teil des Mondes. Die höchstauflösenden Enceladus Aufnahmen waren schwarz, Bilder der Ringe von der Rückseite und dem Bereich des A- und F-Ringes waren nicht zu sehen und auch die hochauflösenden Photopolariemetermessungen nahe des A- und F-Ringes waren verloren gegangen.

Das letzte Bild gab es als die Sonde das Ringsystem durchquerte. 3 Tage lang schickte man einen Befehl nach dem anderen zur Sonde. Man versuchte die Scanplattform zuerst langsam, dann schneller zu bewegen. Jede Aktion ergab wegen der langen Signallaufzeit erst nach 3 Stunden eine Rückmeldung. Nach 24 Stunden bewegte sich die Plattform erstmals. Dann versuchte man die Geschwindigkeit zu steigern und das Problem zu verstehen. Dann am 28.8.1981, inzwischen war Voyager 2 schon wieder 3.2 Millionen km vom Saturn entfernt, war auf einem Bild wieder der Saturn zu sehen. Nun betrieb man die schwenkbare Plattform mit langsamer Geschwindigkeit während des restlichen Vorbeiflugs.

Später entdeckte man das man den Arm mit zu oft mit hoher Geschwindigkeit betrieben hatte und so das Schmiermittel ausgelaufen war. Ein Modell von Voyager auf der Erde wurde daraufhin so programmiert, dass es im Zeitraffertempo genau die gleichen Schwenks machte und bei diesem brach eine Welle nach etwa der gleichen Anzahl an Schwenks. Welche Auswirkungen hatte es auf die Beobachtung ? Alle Beobachtungen die nach dem Durchqueren der Ringebene angesetzt waren entfielen. Dies betraf vor allem die hochauflösenden Tethys Mosaike und Bilder des F-Rings und der Ring Unterseite im Gegenlicht. Auch von Enceladus gab es die letzten Bilder aus 110,000 km anstatt 87000 km Entfernung. Aufnahmen der Monde waren aber schon vorher gemacht worden, wenn auch nicht in der höchsten Auflösung. Die Ringaufnahmen waren dagegen nicht ersetzbar. Im Gegenlicht sieht man eine völlig andere Ringstruktur und man erwartete, mehr Details des F-Rings zu erkennen. Bis zum 5.9.1981 betrieb man die Scanplattform mit langsamer Geschwindigkeit, dann wurde ihr Betrieb eingestellt.

In der Folge wurden 86 Modelle des Schwenkarmes gebaut um das Problem zu untersuchen und herauszufinden wie schnell man den Arm zukünftig noch bewegen kann. Das Problem bestand wahrscheinlich schon früher, denn schon am 23.2.1978 stockte die Voyager 2 Scanplattform bei Azimut Schwenks, wie sie es dann auch beim Saturn tat. Auch in den letzten Tagen zeigte die Telekameras nicht ganz genau dahin wo sie hinschauen sollte. Das sie just zum unglücklichsten Zeitpunkt ausfiel, hatte mit den vielen Schwenks zu tun, die man während der Saturnbegegnung innerhalb kürzester Zeit machen musste, um die Ringe und Monde zu erfassen.

Saturns mittlere BreitenSchon im Frühjahr 1981 wurden mit einem Kursmanöver die Weichen für den Flug von Voyager 2 zu Uranus gestellt worden. Die NASA hatte das Okay. bekommen, obgleich die Sonden nur für 4 Jahre ausgelegt waren und Voyager 2 beim Erreichen des Uranus mehr als doppelt so alt sein würde. Andererseits waren zu diesem Zeitpunkt Voyager und der Viking Lander 1 die noch einzigen aktiven Planetensonden, und neue Starts nicht vor dem Jahre 1986 abzusehen. So bekam man die Verlängerung der Mission genehmigt obwohl eine interne Untersuchung davon ausging, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Sonde bei Uranus noch funktionsfähig sein würde noch 65 % betrug und für Neptun sogar auf 40 % fiel. Das Problem war, dass man wegen der begrenzten Computerkapazität auf der Erde viel Manpower benötigte und der Betrieb der Sonden daher teuer war. Beim Saturnvorbeiflug arbeiteten 280 Ingenieure und Techniker und 120 Projektwissenschaftler exklusiv an Voyager. Selbst der Betrieb während der Vorbeiflüge kostete die NASA 30 Millionen USD pro Jahr. Dies war der Reagan Regierung zu viel, die am liebsten alle Planetensonden gestrichen hätte. Doch die Bestrebungen Missionen zu streichen gab es erst Anfang 1982 und weil da Voyager 2 schon auf Kurs zum Uranus war, ließ man von diesem Vorhaben ab.

Natürlich waren die Voyagers auch nach dem Vorbeiflug noch aktiv. Die meisten Experimente an Bord von Voyager waren Experimente zur Untersuchung von Wellen, Teilchen und Staub, denn es auch jenseits der Planeten gab. Nur die Spektrometer, Kameras und das Photopolarimeter waren bei den Planeten aktiv. Das Extrem-UV Spektrometer war sogar das einzige seiner Art an Bord einer Sonde oder eines Satelliten und es wurde außerhalb der "Encounter" für normale astrophysikalische Untersuchungen von Sternen und anderen astronomischen Zielen genutzt.

Voyager 1 überquerte Ende März 1984 die Uranusbahn, hatte bis dahin also schon einen Vorsprung von 20 Monaten gegenüber Voyager 1 (Bei Jupiter waren es noch 3 Monate und bei Saturn 9 Monate). Am 22.3.1987 überquerte sie auch die Neptunbahn, 29 Monate früher als Voyager 2. Dies liegt an der höheren Geschwindigkeit von Voyager 1, welche diese durch die beiden nahen Vorbeiflüge an Jupiter und Saturn erreicht hat.

Ziel

Voyager 1

Voyager 2

Saturn

101.300 km

124.420 km

Mimas

88.440 km

309.900 km

Enceladus

202.040 km

87.140 km

Tethys

415.670 km

93.000 km

Dione

161.520 km

502.250 km

Rhea

73.980 km

645.280 km

Titan

6.490 km

665.960 km

Hyperion

880.440 km

470.840 km

Iapetus

2470.000 km

908.680 km

Phoebe

13537.000 km

2075.600 km

Atlas

219.00 km

287.170 km

Pandora

300.000 km

246.590 km

Prometheus

270.000 km

107.000 km

Epimetheus

121.000 km

147.010 km

Janus

297.000 km

222.760 km

Bilder

17050

11011

Ankunft

12.11.1980

25.8.1981

erste Bilder aus

106 Mill. km Entfernung

100 Mill. km Entfernung

am

26.8.1980

5.6.1981
letzte Bilder am 25.9.1981

Zwischen den Planeten waren die Voyagers natürlich auch aktiv. Das Extrem UV Spektrometer wurde zur Beobachtung von Sternen benutzt. Vor allem aber interessierten die Daten der Teilchen und Welleninstrumente. Beginnend ab Oktober 1985 gewannen die Voyagers mehr Daten von diesen Instrumenten, weil sie nun in eine Region vorstießen, welche bislang unbekannt waren. Sehr bald konnte die Entdeckung von Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Kohlenstoff und Argon vermeldet werden die mit hoher Geschwindigkeit (30000 km/s einschlugen. Es waren Ionen der Sonne die auf die Interstellare Materie prallten,. wobei sie hoch beschleunigt wurden und zurück ins Sonnensystem gelenkt wurden. Der Nachweis von Argon und Kohlenstoff war der erste direkte Nachweis dieser Elemente.

Uranus - eine neue Sonde erreicht den geheimnisvollen Planeten

UranusDie Entscheidung für den Flug zu Uranus fiel nicht leicht. Zum einen war der Sonde nur eine Chance von nur 65 % eingeräumt worden, das sie auch bei Uranus noch funktionsfähig sein würde - schlussendlich dauerte der Flug zu Uranus 4,5 Jahre - länger als bisher die gesamte Mission gedauert hatte. Die Voyager waren für eine Betriebszeit von 5 Jahren ausgelegt und der Flug zu Uranus dauerte 9. Zum zweiten kam aber Kritik aus einer anderen Richtung. Die forschungsfeindliche Reagan Administration, die schon die Projekte CRAFT, VOIR und das Gemeinschaftsprojekt mit der ESA zur Sonnenforschung gestrichen hatte und die Galileo Mission immer weiter ausdünnte, wollte die Gelder für den Weiterbetrieb der Voyager Sonden streichen. Gott sei Dank konnte dies - auch durch Proteste von Wissenschaftlern und Laien - verhindert werden. Und so wie es aussieht werden die Voyager Sonden jenen Präsidenten überleben, der die Planetenforschung in den USA für ein Jahrzehnt zum Erliegen gebracht hat. (Anmerkung: Im Jahre 2004 starb Ronald Reagan, die Voyager Sonden haben ihn also überlebt).

Als die Sonde 1986 Uranus erreichte hatten die Ingenieure soviel Zeit zur Verfügung, das Sie die grundlegenden Systeme der Sonde umprogrammierten, zum ersten Mal in der Geschichte der Raumfahrt übrigens. "Die Sonde die Uranus erreicht ist nicht dieselbe, welche die Erde verlassen hat" sagte ein Projektwissenschaftler.

Was waren die Probleme bei Uranus?

  • Uranus ist 2 mal weiter von der Sonne und der Erde entfernt als Saturn, das bedeutet, das die Funksignale 4 mal schwächer ankommen, man also die Datenrate reduzieren muss, und die Kameras 4 mal länger belichten müssen
  • Gleichzeitig ist Uranus kleiner als Jupiter und Saturn: er hat nur 40 % des Durchmessers des Saturns und ein Drittel des Jupiters, so füllt der Planet die Telekamera erst 5 Tage vor der Begegnung aus, man erhält also wesentlich weniger Bilder und Daten von den Spektrometern, die auch mit einem Teleskop arbeiten.
  • Der verfügbare Strom ist von 480 Watt am Start und 435 Watt bei Saturn auf nur noch 400 Watt gefallen - nicht mehr genug um alle Systeme gleichzeitig in Betrieb zu nehmen. (Bedarf bei Nutzung aller Instrumente: 420 Watt).

Das letzte Problem war am besten zu lösen, man begann auf der Erde mit Simulationen des Vorbeifluges und legte dann fest welche Geräte wann eingeschaltet sein dürften. Danach machte den Versuch in der Praxis bei Voyager 1 noch vor der Begegnung, es zeigte sich das ein Betrieb nahe der 400 Watt Grenze vertretbar war. (Voyager 1 dient seit dem Saturnvorbeiflug gerne als Experiment für neue Technologien. Erst wenn diese dort funktionieren wird die Software auch auf Voyager 2 übertragen). Schlussendlich modifizierte man die automatischen Rettungsprogramme, die anspringen wenn der Strom teilweise ausfällt, das sie die Geräte abschalteten auf die man am besten verzichten konnte.

ArielFür das Problem der geringen Datenübertragungsrate mussten ausgefeiltere Lösungen her. So begann man auf der Erde Antennen zusammenzuschalten. Normalerweise wäre der Empfang über eine 64 m Antenne in Goldstone, Perth oder Madrid gelaufen. Mit Datenraten von 7.2-9.6 KBit bei einer 64 m Antenne wären erheblich weniger Daten empfangen worden als beim Saturn. Nun koppelte man jeweils dazu noch eine 34 m Antenne dazu (14.4 KBit) und in Australien eine weitere 64 m Antenne (29.9 KBit, von denen aber nur 21.6 KBit genutzt wurden).

Gleichzeitig begann man die Datenmenge zu reduzieren. Bisher wurden zu den Daten noch Codeblöcke übertragen, die es erlaubten bei falsch übertragenen Signalen, diese auf der Erde zu korrigieren, ähnlich wie der CRC Check bei der Übertragung von Daten übers Modem. Bisher verwendete man den Golay Code dafür, der genauso viele Codebits wie Datenbits umfasste, nun verwendete man den moderneren Reed-Solomon Code, der auf 6 Datenbits nur ein Codebit verwendete, so das die Datenmenge um 70 % gesteigert werden konnte. (Dieser macht auch die Fehlerkorrektur in CD Spielern). Als Nebeneffekt wurde auch die Zuverlässigkeit von 5 fehlerhaften Bits auf 100.000 auf eines auf eine Million gesteigert. Diese Entscheidung fiel nicht leicht, da die Codierung von spezieller Hardware durchgeführt wurde. Die Golay Hardware war redundant an Bord, die Reed-Solomon dagegen nicht.

Zuletzt ging man bei den Bilddaten an eine verlustbehaftete Reduktion. Man machte sich die Tatsache zu nutze, das sich die Pixels abseits von Kanten nur gering in ihrer Helligkeit unterscheiden, und übertrug so für einen Teil der Bilder nicht mehr 8 Bits pro Bildpunkt sondern nur 3 - Die Differenz der Helligkeit zum vorhergehenden Bildpunkt. Nur für die erste Spalte wurde der erste Bildpunkt vollständig gesendet, die restlichen 799 als Differenz. Dazu verzichtete man auf die Reservefunktion des FDS Computers und fütterte diesen mit Kompressionsalgorithmen. Modernere Verfahren wie Huffmann (GIF Codierung), waren wegen der begrenzten Speichermenge der Computer nicht möglich. Bei den anderen Instrumenten waren solche Eingriffe nicht nötig, da die Kamera das Instrument war, welches die meisten Daten lieferte. Danach kamen die Plasmainstrumente (57.6 KBit, allerdings nur periodisch) und danach die Spektrometer, die mit nur 2500 Bit/sec, gerade mal ein 40 stel Datenrate der Kamera hatten.

Als Summe betrug die Nettozeit für die Übertragung eines Bildes bei Uranus 104 Sekunden, also nur unwesentlich länger als bei Saturn (88 Sekunden). Ohne diese Vorgehensweise hätte man 533 Sekunden gebraucht.

Miranda Das Problem des geringen Lichtes war jedoch ein schwierigeres. Die Belichtungszeiten waren jetzt so lang, das schon Systeme der Sonde störten. Für eine Aufnahme von Miranda (Bild rechts) musste man z.B.. 1.44 Sekunden belichten. So bekam die Sonde jedes Mal einen Stoß wenn das Bandgerät auf den Hochgeschwindigkeitsmodus schaltete. Der gleiche Stoß kam beim Stoppen der Spule in die Gegenrichtung vor. Man kompensierte dies indem man die Lageregelungsdüsen auf Kommando genau entgegengesetzt betrieb. Dazu mussten aber die Schubkräfte reduziert werden. Die Düsen von Voyager können nach Spezifikation minimal 10 ms lang betrieben werden. Doch ginge es auch mit 5 Millisekunden ? Man probierte es bei 5 Düsen aus, die übrig geblieben waren. Danach wurde das Verfahren bei Voyager 1 getestet, die für ihre Schwestersonde bei neuen Methoden als "Versuchskaninchen" herhalten muss. Das Verfahren funktionierte und wurde so auch angewandt. Man plante bei Uranus nur 6 Langzeitbelichtungen um nach Ringen und Ringmonden zu suchen. Später bedauerte Brad Smith, Leiter des Kamera Teams dies. "Wir hätten mehr Vertrauen in die Arbeit unserer Ingenieure haben sollen".

Das nächste Problem war bei den nahen Vorbeiflügen an Miranda und Ariel die Bewegungsunschärfe: Voyager bewegte sich mit 20 km/s relativ zu Miranda, bei 1.44 sec wären die Bilder also nie schärfer als 28 km/Bildpunkt geworden. Mit dem Schwenkarm alleine konnte man dies nicht ausgleichen, dazu war dieser zu grob, so schwenkte man bei diesen Begegnungen die ganze Sonde mit Hilfe der Lageregelungsdüsen. Als Ergebnis erhielt man wesentlich schärfere Bilder als bei Saturn oder Jupiter. Dazu musste man aber einen Trick machen, denn die Sonde war ja auf die Sonne ausgerichtet und verlor bei diesem Manöver kurzfristig die Funkverbindung, was normalerweise das Computersystem verhindert hätte. Man übergab dem Steuercomputer ein Signal anstatt des echten Sonnensensor - Signals, das eine Drift signalisierte und dieser steuerte dann die Sonde dem angeblichen Drift hinterher - und hielt so die Kameras auf einen Punkt ausgerichtet. Der Lohn: Voyager lieferte von Uranus und seinen Monden viel schärfere Bilder als von Jupiter und Saturn, wo es zahlreiche verwackelte Aufnahmen gab.

Vorbeiflug an UranusNach den Erfahrungen bei Saturn legte man auch großen Wert auf die zuverlässige Funktion des Schwenkarmes. Zahlreiche Simulationen zeigten, das man ihn problemlos mit geringer Geschwindigkeit würde betreiben können, 4 Einsätze mit mittlerer Geschwindigkeit wurden für wissenschaftlich wertvolle Ziele vorgesehen. Als Absicherung wurde ein Computerprogramm geschrieben, das im Falle eines Stockens die ganze Sonde mit den Steuerdüsen bewegt hätte und man so auf den Schwenkarm vollständig verzichtet hätte.

Auch der fehlerhafte Sender sollte soweit wie möglich in Griff bekommen werden, da sich die Frequenz schon bei Änderung der Sondentemperatur um ein Viertel Grad um 100 Hz änderte, legte man genau fest wann welches Gerät eingeschaltet sein dürfte und wie man auf der Erde die Frequenz anpassen müsste. Das Verfahren klappte und Voyager 2 flog am Uranus ohne Kommunikationsprobleme vorbei. Es gab sogar weniger Ausfälle als bei den beiden vorhergehenden Begegnungen.

Trotzdem gab es 6 Tage vor dem Vorbeiflug Aufregung: Auf den komprimierten Bildern durchzogen Felder mit dunklen und hellen Linien das Bild. Auf den unkomprimierten Bildern war dies nicht der Fall. Man tippte auf einen Softwarefehler und rief den Inhalts des FDS zur Erde ab. Ergebnis: Ein einziges Bit war keine 0 sondern eine 1. Dies könnte durch ein kosmisches Teilchen oder einen Ausfall der Speicherstelle gekommen sein. Man versuchte das Bit durch Kommando wieder zu löschen - ohne Erfolg, daraufhin schrieb man das Programm um und umging die fehlerhafte Speicherstelle, 4 Tage vor der Annäherung klappte dann wieder die Übertragung der Daten.

Uranus lieferte denn nun auch wichtige Daten, für die Liebhaber von "pretty nice Pictures" war die Mission aber eher dürftig: Uranus selbst war nur als blaue, strukturlose Murmel auf den Fotos zu sehen. Selbst bei aufwendiger Nachbearbeitung waren kaum Strukturen auszumachen. Das lag an einer dicken Smogschicht aus Methan, die über den Wolken lag. Auch bei den Monden war der Vorbeiflug ungünstig. Bei Jupiter und Saturn flog die Sonde die Monde nacheinander an, in beiden Fällen vor und nach dem Vorbeiflug, so dass die Sonde etwa 1-2 Tage lang Fotos von den Monden machte. Die Monde des Uranus wurden durch die seltsame Bahnneigung von 98 Grad nicht hintereinander wie bei Jupiter und Saturn sondern nahezu gleichzeitig passiert. Voyager passierte Uranus wie ein Dart Pfeil, der auf eine Zielscheibe fliegt: Eine nahe Begegnung mit Miranda und Ariel bedeutet zwangsläufig große Abstände zu Titania, Oberon und Umbriel. Diese Konstellation ist bedingt durch die 98 Grad Neigung der Uranusachse. 42 Jahre lang schaut die Nordhalbkugel zur Sonne, 42 Jahre die Südhalbkugel, nur alle 21 Jahre lang liegt die Rotationsachse senkrecht zur Ekliptik und die Sonne scheint direkt auf den Äquator dann kann eine Raumsonde alle Monde nacheinander passieren. Als Voyager 2 Uranus erreichte schaute der Südpol direkt zur Sonne und die Monde standen fast denkrecht zur Ekliptik - die nahezu schlechteste Position die denkbar war. Da man Uranus sehr nah passieren musste um zu Neptun zu gelangen konnte man nur den innersten Mond Miranda nah passieren: Man war mit dieser Entscheidung nicht glücklich, weil Miranda sehr klein ist und man ihn daher für geologisch tot und uninteressant hielt. "Lieber wäre mir ein Vorbeiflug an Ariel oder Oberon gewesen," sagte Laurence Soderblom, Chef des ISS Teams, "doch wegen der nahen Passage an Uranus war Miranda der einzige Mond den wir nah passieren konnten."

Mirandas TerminatorDoch dies lohnte sich Miranda zeigte sich als "Patchworkmond", der einmal in seine Einzelteile gesprengt sein muss und über 20 km tiefe Schluchten verfügte. Mehr über Miranda in diesem Artikel. Im Jahre 2007 sollte die Rotationsachse in der Ekliptik liegen und eine Raumsonde nacheinander die Monde passieren können. Dies führte zum Vorschlag für einen Nachbau der New Horizons Sonde, die Uranus 2015 erreichen soll.

Auch bei Uranus hat Voyager 2 weitere Monde entdeckt, über 10 sind es, und ab und zu wird noch ein neuer auf alten Voyager Aufnahmen entdeckt. Erst 2003 hat Hubble einen Mond wieder gefunden, den Voyager 2 vor 17 Jahren nur wenigen Bildern aufnahm, so dass man seine Bahn nicht genau kannte.

Die Ursache für die strukturlosen Uranus Fotos war eine dicke Dunstschicht die Voyagers Bildsensoren nicht durchdringen konnten. Für Hubble, mit seiner größeren Infrarotempfindlichkeit war dies dagegen möglich. So gibt es heute von Hubble bessere Uranusaufnahmen als von Voyager.

Ziel

Voyager 2

Uranus

81.422 km (Oberfläche, 107000 km Zentrum)

Miranda

29.000 km

Ariel

127.000 km

Umbriel

325.000 km

Oberon

470.000 km

Titania

365.000 km

Bilder

6538 (8000 nach NASA Angaben)

Erste Bilder am 4.11.1985

Ankunft am

24.1.1986

Letzte Bilder am 25.2.1986

Neptun - der krönende Abschluss

Neptun EncounterVor dem Neptun Encounter wurde heiß diskutiert über die genaue Route. Im Gegensatz zu allen anderen Planeten war klar, das Voyager bei Neptun nur einen Mond richtig fotografieren werden können würde: Triton, über den vor Voyager nur wenig bekannt war. 1980 wusste man noch nicht einmal seinen Durchmesser genau und schätzte ihn auf 6000 km. Damit wäre Triton der größte Mond im Sonnensystem gewesen. Den zweiten Mond Nereide konnte man nicht nah passieren, da er sich auf einer sehr exzentrischen Bahn weit von Neptun entfernte. Mehr als diese beiden Monde kannte man vor dem Vorbeiflug nicht. Also wollte man den Mond sehr nahe anfliegen. Dazu war es aber nötig nahe an Neptun heranzukommen, denn er Mond umläuft den Neptun in einer um 21 Grad geneigten Bahn. Neptun alleine hat die Schwerkraft die Bahn der Sonde so zu verbiegen, dass sie sich Triton stark nähert. Jeden Kilometer den man die Sonde näher an Neptun heranführt verkürzt die Distanz bei Triton um 9 Kilometern.

Überhaupt gab es bei Neptun erstmals die Möglichkeit die Route frei zu wählen. Bislang musste Voyager 2 immer einen bestimmten Korridor einhalten um zum nächsten Planeten zu kommen. doch nach Neptun gab es kein weiteres Ziel. Also wurde heiß um die Route diskutiert. Die Atmosphärenforscher wollten eine Route die viele Fotos des Planeten ermöglichen würde. Damit diese auch nach der Begegnung viel von Neptun zeigten waren Sie für eine nahe Passage. Die Magnetfeld und Teilchenforscher waren dagegen für eine weite Passage, da dadurch Voyager kaum beschleunigt wurde und länger in der Magnetosphäre blieb. Die Mondforscher wollten schließlich eine nahe Passage an Triton um mehr und vor allem verwacklungsfreie Bilder zu schießen. Einige plädierten sogar dafür die Sonde gezielt auf Neptun oder Triton zu lenken um in den letzten Minuten die besten Messergebnisse zu erhalten.

Neptun EncounterDie erste vorgeschlagene Route die allen Belangen genügen sollte sah eine Passage von Triton in einem Abstand von 44.000 km über der Wolkenobergrenze vor. Diese wurde schon 1980 gewählt, als man noch keine Kenntnis von Neptun Ringen hatte. Die hohe Distanz passte aber den Mondexperten nicht. Sie wollten eine Passage von Neptun in nur 1000-1300 km Höhe, das hätte die Sonde auf 8000-20.000 km an den Mond herangeführt. Im Herbst 1985 hatte man eine neue Passage ausgearbeitet die bis zu 10000 km an Triton heranführte. Schlussendlich siegten aber die gemäßigten. Grund war weniger die nahe Passage bei Neptun, als vielmehr, das man Ringe in der Region vermutete, die Voyager vorher hätte passieren müssen (73710 km vom Planetenzentrum entfernt). Sternbedeckungen im Jahre 1980 zeigten eine kurzzeitige Unterbrechung des Lichtes die ein Mond oder ein Ringfragment sein konnte. Als man dann auch noch bei Beobachtungen bemerkte, dass es Diskrepanzen der beobachteten Position Triton's zu seiner berechneten gab, erarbeitete man eine Kompromissroute die den Neptun in 4824 km Entfernung passierte und bis auf 38500 km an Triton heranführte. Diese "40K" Triton Route sollte die Sonde 5000 km außerhalb der Ringe vorbeiführen und man setzte die Chance dass sie die Ringe unbeschädigt passierte zu 95 % an. Sie wurde als endgültige Route im Sommer 1986 festgelegt.

Für den Notfall wurde der Bordcomputer mit den Kurskorrekturdaten für die Manöver B19 und B20 gefüttert, die man im Notfall ausführen konnte, wenn die Beobachtungen zeigten, dass Voyager in eine gefährliche Region steuerte. Im November 1986 stand damit die Tourplanung für Voyager 2 fest.

Am 14.2.1987, auf halber Strecke zwischen Uranus und Neptun feuerten Voyagers Triebwerke 93.3 Minuten lang und brachten Sie auf einen Kurs zu Neptun. Sie änderten die Geschwindigkeit von 19698 auf 19715 m/s und den Ankunftszeitpunkt von 22:15 Westküstenzeit am 26.8.1986 auf 9:05 am 25.8.1989. Ende 1988 gab es noch eine zweite Feinkorrektur der Bahn. Am 11.11,1988 zündeten die Triebwerke für 3 Minuten 29 Sekunden, als sie noch 414.7 Millionen km von Neptun entfernt war. Dieses Manöver senkte die Vorbeiflugdistanz um 10000 km, so das die Sonde nur 5000 km über der Wolkenobergrenze Neptun passierte. Ein drittes Kurskorrekturmanöver fand am 20.4.1989 statt. Es senkte die Vorbeiflugdistanz auf 4850 km. Gleichzeitig erprobte man ein Rollmanöver alleine mit den Gyroskopen. Diese Technik wollte man 4 Tage vor dem Vorbeiflug einsetzen. Daher erprobte man sie bei dieser Gelegenheit, als Voyager 2 noch 183 Millionen km von Neptun entfernt war. Die kleineren Kurskorrekturen sollten gewährleisten dass Voyager 2 den schmalen Korridor traf. Die Chance dass sie innerhalb eines 100 km breiten Korridors und innerhalb 1 Sekunde genau diesen erreicht gab man zu 85 % an.

NeptunBei Neptun kamen im Prinzip dieselben Techniken wie bei Uranus zum Einsatz. Für eine größere Datenrate baute man die 64 m des Deep Space Netzwerkes zu 70 m Antennen aus. Dies führte zusammen mit rauscharmen neuen Empfängern zu einer Signalverstärkung um 1.9 dbi oder 55 %. Eine Maßnahme die mit der Kopplung von 34 m Antennen noch eine Datenrate von 19.2 KBit/sec erlaubte. In Australien wurde die 64 m Radioastronomieantenne von Perkes zu den beiden Antennen in Canberra hinzugeschaltet und dies ergab dann eine Datenrate von 21.6 KBit/sec. Verband man diese Datenrate mit der schon bei Uranus eingesetzten 3 aus 8 Bit Übertragung der Daten so war die Übertragungszeit pro Bild sogar noch geringer als bei Saturn.

Wenn die Sonde über Japan war, wurde die 64 m Antenne von Usuda zum Messung von Bedeckungsdaten, wenn die Sonde hinter den Ringen und Neptun verschwand, zu der Perkes Antenne hinzugenommen. Dies erlaubte es zum einen tiefer in die Neptunwolken hineinzuschauen, wenn diese das Signal abschwächten. Zum anderen wurde das Signal-Rauschverhältnis besser und man bekam bessere Daten über die Dichte, den Druck und Temperatur der Atmosphäre und der Feinstruktur von Neptuns Gravitationsfeld und damit dessen inneren Aufbau. Die kombinierten Daten erlaubten es die Änderungen der Frequenz auf 1/100 Hz zu bestimmen. Dies entsprach der Feststellung der Position auf 1 mm genau. Bei Goldstone nahm man die 27 m Antennen des Very Large Array (VLA) mit hinzu um bessere Daten der Ringe zu bekommen.

TritonAuf der Erde waren 130 Wissenschaftler beschäftigt die Daten auszuwerten (oder besser gesagt vorzusichten) um Auffälligkeiten zu entdecken die man genauer untersuchen musste. 45 Personen waren nur mit der Missionskontrolle, also dem Senden und empfangen von Daten von Kommandos beschäftigt. Viel mehr, nämlich 70 Ingenieure entwickelten die Computerprogramme und Messprogramme, überprüften die Telemetrie und den Gesundheitszustand der Sonde.

Das Nachführen der Kamera., jetzt bei noch größeren Belichtungszeiten, wurde perfektioniert. So wurde ein Bild an Bord vermessen um die Belichtungszeit für das nächste zu gewinnen. Auch auf der Erde wurde getan, was nur möglich war um die Mission zum Erfolg zu führen, so wurden die DSN Antennen über GPS synchronisiert um ja keine Daten der Sonde zu verlieren. Der Lohn der Mühe: Ein perfekter Vorbeiflug. Mit einer Präzision von 20 km erreichte Voyager 2 den nächsten Abstand von 4824 km, jede Abweichung um einen Kilometer bedeutet eine Abweichung von 7 km bei Triton. Dieser wird in einem Abstand von 39800 km passiert, nicht jedoch ohne einige Dutzend Aufnahmen des Mondes zur Erde zu funken. Wie bei Saturn und Uranus entdeckte auch hier die Sonde wieder 6 neue Monde, die allesamt so nahe an dem Planeten waren, dass sie bei erdgebundenen Aufnahmen von ihm überstrahlt wurden.

Am 6.6.1989, 80 Tage 21 Stunden, 17 Minuten, 36 Sekunden vor der Neptunpassage wurde das Computerprogramm B901 im Bordcomputer von Voyager gestartet und es begannen die routinemäßigen Beobachtungen von Neptun. Die heiße Phase begann dann 2 Monate später am 6.8.1989. Die Instrumentenplattform dürfte nach den Problemen bei Saturn immer noch nicht im hohen Geschwindigkeitsmodus betrieben werden. 8 Einsätze mit mittlerer Rotationsrate von 0.33 Grad/Sekunde waren vorgesehen, ansonsten arbeitete sie im langsamen Betrieb (0.08 Grad/Sekunde).

Der Strom der RTG war bei Neptun auf 370 Watt gefallen, nochmals weniger als bei Uranus. Man erarbeitete einen Plan was alles betrieben werden dürfte, wobei man eine Toleranz von 12 Watt für unvorgesehenes und erhöhten Verbrauch einplante. Wie bei Uranus war der CCS programmiert den Stromverbrauch zu messen und bei erhöhtem Verbrauch bestimmte Geräte abzuschalten. Die Einschränkungen waren nun größer als bei Uranus. So schaltete man den S-Band Sender mit dem höheren Verbrauch ab.

Der Bandrekorder nahm eine nun noch zentralere Rolle ein, da er mehr Daten aufnehmen musste um sie langsamer zurückzuspielen. Der DTR lief bei Neptun mit 3 Datenraten (115.2 KBit Speichern, 21.6 KBit/sec Lesen, 7.2 KBit Speichern/Lesen). Voyager 2 arbeitete seit 1978 mit dem defekten Reservesender. Eine Folge dessen war es dass man nur aus Sicherheitsgründen alle wichtigen Sequenzen 48 Stunden vor einem Ereignis übertrug um dem Receiver genügend Zeit zum Abkühlen zu geben. Ein Backup Programm im CCS wurde eingerichtet das bei Ausfall der Verbindung automatisch ein reduziertes Messprogramm absolvierte.

Phase Datum Dauer
Beobachtung 5.6.1989-6.8.1989 62 Tage 2 Stunden
Far Encounter 6.8.1989-24.8.1989 18 Tage 7 Stunden
Near Encounter 25.8.1989-29.8.1989 5 Tage 5 Stunden
Post Encounter 29.8.1989-2.10.1989 33 Tage 15 Stunden

Damit man möglichst alle Ressourcen auf Voyager 2 bündelt konnte bekam die Schwestersonde das Computerprogramm A818 übermittelt. Dieses lief von Anfang Juni 1989 bis Anfang Dezember 1989 und sorgte dafür, dass Voyager 1 während der kritischen Zeit keine Unterstützung vom Boden aus brauchte. Die genauen Ablaufsequenzen wurden von 1986-1989 erarbeitet. Vorarbeiten dafür gab es schon 1984-1985. Die letzten Änderungen wurden erst im April 1989 abgeschlossen. Da eine Reihe von Observationen stark abhängig von der genauen Bahn von Voyager waren und man diese erst kannte nachdem man sie vermessen hatte erarbeitete man eine Technik namens LEU - Late Execution Unit. Die Computerprogramme wurden vom Boden aus angepasst nachdem der CCS sie schon in Bearbeitung hatte. Nach den Tests der Programme im letzten Vierteljahr 1988 und Anfang 1989 auf Voyager 1 gab es bei Voyager 2 Prüfungen im Mai 1989. Ziel war es nicht nur die Programme zu testen, sondern auch die Bodenmannschaften zu schulen und Praxis zu vermitteln.

Es gab zwei Programme für die Beobachtungsphase, drei für die Fernerkundungsphase und je zwei für die Naherkundungsphase und Post Encounterphase. Die Laufdauer liegt zwischen 50 und 3 Tagen für eine Sequenz. Das FDS A hatte nach Uranus ein nicht benutzbares Wort und im FDS B war ein kompletter 256 Wort Block ausgefallen. Beim PPS waren einige Filter ausgefallen, ansonsten war die Raumsonde (wenn man von den bekannten Problemen beim Empfänger und dem Azimut Antrieb) absah in einem besseren Zustand als beim Start, denn nun nutze man ihre Fähigkeiten viel besser als damals. Man verzichtete zum Beispiel auf die Redundanz von CCS und FDS, so dass man über mehr Computerleistung und Speicher verfügte. Bei Ausfall eines Computers hätte man innerhalb einiger Tage eine Ersatzsoftware die nur auf einem Prozessor läuft zur Sonde geschickt.

Andere Maßnahmen die man schon bei Uranus anwandte wurden perfektioniert wie die Drehung der Sonde nach der Bewegung von Neptun und Triton und die Möglichkeit Fotos viel länger zu belichten als vorgesehen indem man die Belichtungszeit in 15 Sekunden Intervalle aufteilte.

Am 18.3.1989 erlaubten es intensive Radioemissionen in einem engen Frequenzbereich die innere Rotationszeit Neptuns zu bestimmen. Dabei war Voyager 2 noch nicht einmal in die Beobachtungsphase eingetreten.

TritonAnders als der Uranus war Neptun schon aus den ersten Probefotos aus großem Abstand auffällig: Ein Sturm war schon Im Januar 1989 deutlich sichtbar. Insgesamt war die Ausbeute an guten Bildern bei Neptun größer als bei Uranus, mehr als 9000 wurden zwischen dem 6.6 und 2.10.1989 gemacht. Die Sonde wurde mit 99 % ihrer Leistungsfähigkeit betrieben - und es hat alles geklappt! Schon am 7.7.1989 August konnte man auf den Bildern einen neuen Mond, zuerst 1989N1 genannt, später Proteus getauft, ausmachen. Er war groß genug und wurde früh genug entdeckt, dass man ihn noch in das Beobachtungsprogramm einbauen konnte, 9 weitere wurden später entdeckt, konnten jedoch im Beobachtungsprogramm nicht mehr berücksichtigt werden.

Auch die Ringe, die man nur vermutet hatte wurden entdeckt. Auch wenn das Ring-Team um die (in der Ansicht der Kollegen) sinnlose Langzeitbelichtung der Region um Neptun kämpfen musste, so konnte man doch am 11.8.1989 Ringe und Ringteile entdecken, auch wenn diese sehr schwach waren, weitaus schwächer noch als die Ringe des Uranus. Dafür konnte man die Ringe schon beim Anflug erkennen und nicht wie bei Jupiter erst im Gegenlicht. Überraschenderweise wies Neptun ein viel schwächeres Magnetfeld als Uranus und Neptun auf. Erst am Tag des Vorbeiflugs wurde es entdeckt.

Noch bizarrer als alle bisherigen Monde war Triton. Vorher wusste man nichts von ihm. Man kannte nur seine Helligkeit und Schätzungen über seine Größe beruhten auf der vermuteten Rückstrahlfähigkeit. In der Literatur des Autors vor dem Voyager Vorbeiflug wird ein Durchmesser im Bereich von 3200 bis 6000 km angegeben ! Die meisten schätzten die Größe auf 3800-5000 km ein. Doch bei den Aufnahmen von Voyager wurde der Mond immer kleiner, bis sich die Größe schließlich bei 2760 km stabilisierte. Triton ist wie Pluto mit einer hellen Oberfläche bedeckt und daher wesentlich kleiner als man vorher annahm. Doch wie sah Triton aus ? Mond war weitgehend kraterlos. stattdessen gab es runzeliges Terrain, das an die Oberfläche von Melonen erinnerte und deutlich brauner zerklüftete Eisebenen mit seltsamen dunkeln Streifen. Bei späteren Auswertungen stieß man am 2.10.1989 auf aktive Geysire auf Triton. sie spuckten flüssigen Stickstoff aus, der bei -230 Grad gefror und als Stickstoffschnee abregnete. Die Radio Science Messungen ergaben bei der Passage des Mondes eine dünne Atmosphäre von 10-14 Mikrobar Bodendruck. Die Auswertung der Bilder ergab, dass die Oberfläche von Triton laufenden Veränderungen unterworfen ist und sehr jung ist. Die Messungen des Photopolarimeters ergab, dass sie sich auch von der Oberfläche von Proteus unterscheidet, welche aber der von Nereid ähnelt, obwohl dieser Pluto in 5.56 Millionen km Entfernung umläuft und Proteus in 117000 km Entfernung.

Der Vorbeiflug am Nordpol von Neptun lenkte wie die Saturnbegegnung Voyager 1 die Sonde um und nun verlässt sie das Sonnensystem unter einem Winkel von 48 Grad. Die Geschwindigkeit ist geringer als bei Voyager 1 und liegt derzeit bei 15.8 km/s, da die Neptunpassage die Sonde abgebremst hat. Nachdem sie Pioneer 11 überholt hat sind nur noch Voyager 1 und Pioneer 10 weiter von der Sonne entfernt.

Ziel

Voyager 2

Neptun

4.824 km

Triton

39.790 km

Larissa 60.180 km
Proteus 97.860 km

Nereide

4,652,880 km

Bilder

9840

erste Bilder am 5.6.1989
letzte Bilder am 2.10.1989

Ankunft

25.8.1989

Die Zukunft

Bildmosaik des SonnensystemsNach der Begegnung mit Neptun (V-2) und Saturn (V-1) ist die Voyager Mission nicht zu Ende. Seit dem 1.1.1990 haben die Voyagers eine neue Mission: Die Voyager Interstellar Mission. Anders als die vor Ihnen gestarteten Pioneers haben Sie noch genügend Treibstoff und Strom um mehrere Jahrzehnte noch Daten zu liefern. Am 14.2.1990 nahm Voyager 1 über 4 Stunden ein letztes Bildermosaik auf und sandte 64 Bilder des Sonnensystems zur Erde. Kurz bevor die wissenschaftlichen Teams aufgelöst wurde, war dieser Traum vieler durchsetzbar, da man vorher keine Aufnahmen der sonnennahen Planeten machen wollte, um die Kamera zu beschädigen.

Dieses Mosaik hatte zwar keinen wissenschaftlichen Wert, aber aufgenommen aus 5.95 Milliarden. km Entfernung waren selbst die großen Planeten Jupiter und Saturn nur mehr kleine Lichtpunkte, vielleicht hat gerade dieses Bild ein paar Menschen mehr dazu angeregt, wie einzigartig und klein unser Planet ist und wie er erhalten werden sollte. Ähnlich wie dies das Bild der aufgehenden Erde über dem Mond 1968 aufgenommen durch Apollo 8 tat.

Im Jahre 1998 wurde die Scanplattform von Voyager 2 heruntergefahren. Voyager 1 folgte im Jahr 2000, doch das UVS dieser Sonde bleibt in Bereitschaft, sofern man es benötigt kann die Scanplattform wieder aktiviert werden.

Seit Februar 1998 ist Voyager 1 auch die entfernteste Sonde der Erde, denn da hat Sie Pioneer 10 überholt. Zwischen dem August 2002 und Februar 2003 übermittelten einige Instrumente verdächtige Werte für Partikel. Wissenschaftler deuteten dies als einen Hinweis darauf, das die Sonde die Grenze des Sonnensystems erreicht hat. Diese ist definiert als eine Schockfront, in welcher der Sonnenwind von 1.2 Millionen km/h auf 160.000 km/h abgebremst wird. Ab da beginnt das interstellare Medium. Diese Schockfront wechselt je nach Sonnenaktivität, zudem gibt es bisher nur Vorstellungen wie der Übergang ist, so dass sich die Wissenschaftler nicht sicher sind. Dies liegt auch daran, dass das PLS Instrument welches die Geschwindigkeit der Partikel messen könnte inzwischen nicht mehr funktioniert. Zum Zeitpunkt der Phänomene war Voyager 1 im Mittel 13.5 Milliarden. km von der Erde entfernt.

Position von Voyager 1 (2003)Ein Sonnensturm, der im Oktober 2003 die Mars Sonde Odyssey lahm legte wurde von Voyager 2 im April 2004 und von Voyager 1 im Juli 2004 registriert. Sein Echo an der Heliopause kurze Zeit darauf zeigte dass sich Voyager der Heliopause schon stark genähert hatte. Am 24.5.2005 gab das JPL bekannt, dass die Sonde nun an der Heliopause angekommen ist. Am 17.12.12004 hatte die Raumsonde in 94 facher Entfernung der Erde von der Sonne (14.05 Milliarden km) bei gleicher Teilchendichte eine Rapide Abnahme der Geschwindigkeit des Sonnenwindes registriert. Zum gleichen Zeitpunkt wechselte die Richtung des Magnetfelds abrupt, wobei die Intensität um den Faktor 2.5 zunahm. Eine Zunahme an schweren Ionen und neue Radiowellen wurden registriert: Voyager hatte den "Termination schock", Schockwelle die beim Zusammenstoß des Sonnenwindes mit dem galaktischen Medium entsteht passiert. Sie befindet sich nun in einer Zwischenzone (Heliostealth) in der das solare Medium in das interstellare Medium übergeht. Die letzte Runde, bevor Voyager das galaktische Medium erreicht, hat begonnen. Wie weit der Heliostealth geht ist umstritten. Voyager 2, die auf etwas langsamer und auf einer anderen Route unterwegs ist sollte dieselbe Zone in 3-5 Jahren erreichen. Die Grenze dürfte variabel sein und von der Sonnenaktivität abhängen, die derzeit hoch ist.

Die Voyagers arbeiten weiter, solange man noch Instrumente betreiben kann. Prinzipiell gibt es nur zwei Ressourcen die knapp werden können an Bord: Der Treibstoffvorrat, der mehr als ausreichend ist für 70 Jahre, so beträgt beim Schreiben dieses Aufsatzes (23.10.1999) der Vorrat an Voyager 1 betrug 32.26 kg und 34.05 kg an Bord von Voyager 2, der Verbrauch in einer Woche liegt bei zirka 10 g, so das die Sonden noch lange arbeiten können. Der Treibstoff dürfte noch für mindestens 50 Jahre ausreichen.

Anders sieht es bei der Stromversorgung aus, diese nimmt langsam aber stetig ab und zwingt zum Abschalten eines Instrumentes nach dem anderen. Die Abnahme beträgt etwa 4.7 Watt pro Jahr. Seit dem letzten Planetenbesuch arbeiten nur noch Teilchen und Welleninstrumente, mit Ausnahme des UVS, das bei Voyager 2 schon seit 1998 abgeschaltet ist und bei Voyager 1 noch aktiv ist (Es ist das einzige Extrem UV Instrument das derzeit noch auf einem Raumfahrzeug aktiv ist). Die Teilchenexperimente werden noch eine Zeitlang arbeiten. Im Jahre 1999 liefern die RTGs noch 322 Watt und eine Reserve von 40 bzw. 68 Watt. 2003 waren es noch 315 Watt. Unterhalb von 245 Watt kann die Sonde nicht betrieben werden. Im Jahre 2005 waren noch die folgenden Instrumente aktiv: Cosmic ray detector, Magnetometer, Plasma wave detector (PWS) und low-energy charged particle detector (LECP) auf beiden Sonden. Auf Voyager 1 noch das UVS und auf Voyager 2 noch das PLS. Das PLS auf Voyager 1 ist leider ausgefallen. Alle anderen Instrument könnte man jederzeit wieder aktivieren. Die Daten werden mit 160 Bit/sec zur Erde übertragen. Davon entfallen 10 Bit/sec auf Statusdaten der Sonde. Wenn das UVS aktiviert werden sollte müsste man die Datenrate auf 600 Bit/sec erhöhen. Jede Woche werden 48 Sekunden lang Plasmawellen mit hoher Datenrate (115.2 KBit/sec) aufgezeichnet und die gesammelten Daten alle 6 Monate mit 1.4 KBit/sec zur Erde übertragen. Dann bekommt Voyager auch Support von den 70 m Antennen, während es sonst mit den 34 m Antennen sich begnügen muss. Die Kommandorate zur Sonde beträgt 16 Bit/sec.

Voyagers interstellare Mission#Im Jahre 2011 (V-1) und 2010 (V-2) werden die Gyros abgeschaltet, damit kann das Magnetometer nicht mehr kalibriert werden. Die Gyros dienen der Stabilisierung der Sonde und für die Kalibrierung des Magnetometers muss sich die Sonde um alle 3 Achsen einmal drehen, was sie bisher mit den Gyroskopen, die als riesige Schwungräder dienen tut. Im Jahre 2010 (V-1) / 2012 (V-2) muss der Bandrekorder abgeschaltet werden, Daten können dann nur noch in den kleinen Computerspeichern gehalten werden. Das Plasmawelleninstrument wird dann keine Daten mehr liefern können, da es eine sehr hohe Datenrate hat. Bislang wird regelmäßig 48 Sekunden lang die Intensität der Radiostrahlung zwischen 40 Hz und 56 kHz gemessen und mit 115200 Bit/sec auf den Bandrekorder geschrieben und dann verlangsamt ausgelesen. Daten müssen dann mit maximal 1.4 KBit/sec direkt zur Erde übertragen werden. Ab 2016 wird dann bei V-2 das PLS abgeschaltet. 2016 / 2018 beginnt dann das "Power-Sharing", die Instrumente werden nicht mehr alle gleichzeitig betrieben, frühestens 2020 reicht der Strom nicht mehr für ein einziges Instrument aus. Die Voyagers hatten dann seit dem Start 43 Jahre gearbeitet und eine Distanz von 22.5 Milliarden. km (V-1) bzw. 18 Milliarden. km (V-2) erreicht haben - mit Funklaufzeiten von bis zu 21 Stunden zur Sonde!

Im Jahre 2005 wurde bekannt, dass Voyager ernsthaft gefährdet ist. Die NASA braucht einen Etat von 74 Millionen USD pro Jahr für den Betrieb von Sonden und Satelliten die ihre nominelle Betriebszeit weit überschritten haben und nun auf Sparflamme weiter operieren. Dies sind neben den Voyagers auch die Sonnensonde Ulysses und der Satellit WIRE. Davon wurden nur 53 Millionen bewilligt und so plant man die Voyagers zum Ende des Haushaltsjahrs (Oktober 2005) abzuschalten. Dabei kostet der Betrieb und die Datenauswertung lediglich 4.2 Millionen USD pro Jahr. Derzeit arbeiten nur noch 10 Personen in Vollzeit an Voyager. Zur Spitzenzeit bei den Vorbeiflügen waren es etwa 300. Die Wissenschaftliche Gemeinde, nicht nur die Projektwissenschaftler waren konsterniert: 4.2 Millionen USD einzusparen bei einem NASA Etat von 16495 Millionen USD für 2006, ausgerechnet bei den einzigen Sonden die derzeit in die Heliopause vordringen ist logisch nicht zu begründen. Gerade jetzt wo es die Anzeichen für das Überqueren der Heliopause gibt. Dabei ist nur eine Sonde geplant die auch das Sonnensystem verlässt. New Horizons würde aber frühestens in 25 Jahren die Entfernung von Voyager 1. Tröstlich ist dagegen, dass die NASA jedes Jahr 3200 Millionen USD für etwa 6-7 Flüge des Space Shuttles zur Verfügung hat.

Am 5.1.2005 war Voyager 2 insgesamt 10.000 Tage in Betrieb. Am 20.1.2005 folgte Voyager 1. Voyager sind schon seit Jahren die am längsten genutzten Raumsonden. Sie haben seitdem zahlreiche andere Projekte überlebt wie Galileo, MIR und werden, wenn man sie nicht vorzeitig abschaltet auch die Milliardengräber Space Shuttle und ISS überleben (geplantes Einstellen: Space Shuttle 2009/10, ISS 2017/18).

Im Mai 2006 wurde bekannt das auch Voyager 2 nun den Termination Shock der Heliosphäre spürt. Das war eine Überraschung, denn Voyager 2 fliegt langsamer als Voyager 1 aus dem Sonnensystem und war zum Zeitpunkt als man die Phänomene registrierte erst 11.4 Milliarden km von der Sonne entfernt. Bei Voyager 1 fand man die Veränderung des Magnetfeldes und das Ansteigen der Ionenzahl niedriger Energie dagegen erst in 12.8 Milliarden km Entfernung. Als Erklärung nimmt man an, dass ein unsymmetrisches bislang noch nicht entdecktes interstellares Magnetfeld die Heliosphäre in südlicher Richtung einbeult. Näheres wird man erst erfahren wenn Voyager 1 Ende nächstes Jahres die Übergangszone zum interstellaren Medium verlässt.

Die Nachfolger

New HorizonsAls die Voyagersonden starteten, dachte man am JPL, das Sie nur die ersten Vorbeiflugsonden sein würden, denen bald Orbiter um die Planeten folgen würden, Galileo war schon in Arbeit und sollte 1982 starten. Ein Programm sah den Start von Orbitern zu Saturn, Uranus und Neptun für die 80 er Jahre vor.

Doch es kam völlig anders. Die Carter Administration war der Raumfahrt nicht wohl gesonnen und neue Projekte zur Planetenerkundung konnte nicht verwirklicht werden. Bei Reagan verschlimmerte sich die Situation noch, dieser lehnte Planetenforschung total ab und strich sogar Missionen mit internationalen Partnern. Erst unter Bush und später Clinton gewinnt die Planetenforschung wieder etwas Fuß. Allerdings werden heute nur noch Sonden des Discovery Programms gestartet: Derartige Missionen sind mit 150-200 Mill. USD relativ preiswert, aber auch dadurch beschränkt. Eine Mission zu den äußeren Planeten benötigt aber eine wesentlich größere Trägerrakete und wesentlich längere Flugdauer, schon alleine dadurch sind Missionen zu den äußeren Planeten nicht mit "Discovery" Missionen zu verwirklichen.

Heute ist Cassini als die letzte große Mission im Saturnsystem unterwegs. Der Start der Pluto Sonde New Horizons ist für Januar 2006 geplant. Es ergibt sich ein Problem mit der Reisezeit. Die Voyager Sonden konnten deswegen die Planeten so schnell anfliegen, weil Jupiter und Saturn die Sonden enorm beschleunigten. Für ein Einbremsen in einen Orbit ist dies aber ungünstig, denn diese Geschwindigkeit muss wieder abgebaut werden. So nähert sich Cassini Jupiter nur auf 10 Mill. km, um nicht zuviel Geschwindigkeit zu gewinnen, dafür dauert auch die Reise vom Jupiter zum Saturn doppelt so lange wie bei Voyager.

Die kürzesten Reisezeiten bei minimaler Abbremsung (auf Hohmann Bahnen, ohne Swing-Bys) von der Erde aus betragen:

Ziel

Reisezeit

Startgeschwindigkeit

Jupiter

2 Jahre 267 Tage

14.099 km/s

Saturn

6 Jahre 20 Tage

15.077 km/s

Uranus

16 Jahre 14 Tage

15.771 km/s

Neptun

30 Jahre 225 Tage

16.040 km/s

Obwohl also die Startgeschwindigkeit steigt, wird die Reisedauer immer länger. Praktischerweise wird man eine Startgeschwindigkeit von mehr als 14.1 km/s einsparen können indem man ein Jupiter Fly-By nutzt, aber die Reisedauer bleibt, denn die ergibt sich aus einer möglichst niedrigen Ankunftsgeschwindigkeit.

Ein Ausweg dafür sind elektrische Triebwerke - mit einem kleinen Reaktor könnte man zuerst stark beschleunigen und vor dem Zielplanet wieder abbremsen. Leider litt die Erforschung von elektrischen Triebwerken genauso wie die Planetenforschung in den letzten Jahrzehnten, es wurden kaum neue Satelliten mit Triebwerken gestartet oder gar eine Sonde ganz damit betrieben. Erst mit DS-1 ist dies geschehen. Noch gravierender ist aber dass man im äußeren Sonnensystem für den hohen Stromverbrauch von elektrischen Triebwerken einen Kernreaktor benötigt. Die Entwicklung von Kernreaktoren im Weltraum wurde im Westen schon Mitte der 60 er Jahre eingestellt. Im Jahre 2003 kündigte die NASA das Projekt "Prometheus" an, bei dem diese Technologien erforscht werden sollten und aus dem eine Mission zur Erkundung der galileischen Monde hervorgehen sollte. Es wurde jedoch bereits 2005 wieder eingestellt. Ebenso eingestellt wurde im Jahre 2003 eine Raumsonde zur Erkundung des Jupitermonds Europa.

Eine zweite Sonde Pluto-Kuiper Express wurde 2001 auf Anweisung von George W. Bush gestrichen, 2002 wurde das Projekt unter der Bezeichnung New Horizons wieder aufgelegt, doch der ursprüngliche ehrgeizige Startermin von Ende 2003 war damit nicht mehr zu halten. Die Sonde wird nun 2006/7 starten.

Wäre mit der heutigen Technik mehr zu erreichen?

In Zeiten in denen ein neu gekaufter Personalcomputer die Leistung aller 6 Bordrechner von Voyager um den Faktor 2000-4000 übertrifft, kann man schon ins Grübeln kommen, was mit moderner Hardware möglich wäre. Sicherlich hat die Halbleitertechnik enorme Fortschritte gemacht, die auch Auswirkungen auf bestimmte Experimente haben. So sind heute CCD Chips erheblich empfindlicher als die Voyagerkameras wodurch Belichtungszeit sinken und man lichtschwächere Objektive verwenden kann, dadurch wären Aufnahmen aus größerer Distanz möglich. So wird Cassini bei nur 7,9 % größerem Teleskopdurchmesser eine 50 % höhere Auflösung besitzen. Schlussendlich aber wären nur quantitativ mehr Ergebnisse zu erwarten, nur eine geringere qualitative Verbesserung.

Warum?

Nun der grundlegende Nachteil einer Vorbeiflugsonde ist eben das Sie nur einen Schnappschuss liefern kann. Deutlich ist dies bei Karten der Uranusmonde und Neptunmonde, die nur knapp eine Hälfte des Mondes zeigen. Nämlich die welche der Sonde beim Vorbeiflug zugewandt ist. Selbst bei größeren Vergrößerungen wird daran und das man bestimmte Gebiete am Rand nur verzerrt aufnahmen kann nichts ändern. Auch die Veränderungen die erst das Verständnis vieler Phänomene ermöglichen, können so nicht erforscht werden. Das gilt für die Magnetfelder, Strahlungsgürtel wie auch die Atmosphären der Planeten. So ist der Wirbelsturm auf Neptun den Voyager 2 im Jahre 1989 entdeckte, inzwischen verschwunden und ein neuer hat sich gebildet.

Weiterhin kann eine Sonde nur das entdecken, was Sie auch beobachten kann. Bei einem Vorbeiflug liegt es in der Natur, das die Bahn zur Beobachtung bestimmter Dinge nicht günstig ist. Deutlich wird dies bei den Distanzen zu den Monden. Von vielen haben wir nur unscharfe Bilder, weil keine Sonde nahe genug an sie heran kam. Europa z.B.. ist durch Voyager nur schlecht photographisch erfasst. Dinge mit denen man nicht rechnet, kann man eigentlich nur entdecken wenn man routinemäßig Daten sammelt und dann auswertet. Für eine nähere Untersuchung ist aber dann die Sonde schon wieder zu weit entfernt. Ein Orbiter hat diese Probleme nicht. Daher waren die beiden nächsten Schritte Galileo und Cassini - Orbiter um Jupiter und Saturn.

Nach Voyager?

CassiniSchon kurz nach dem Start von Voyager wurde Galileo als Jupiter Orbiter konzipiert. Das eröffnete es den Missionsspezialisten von Voyager zu Galileo zu wechseln und somit weiterentwickelte Versionen ihrer Instrumente zu entwickeln. Doch diese Mission stand unter keinem guten Stern: Erst machten Verzögerungen beim Shuttle eine Verzögerung um 4 Jahre beim Start aus - ein Vorbeiflug am Mars musste entfallen. Dann kam 4 Monate vor dem Start die Explosion der Challenger und damit weitere 3 Jahre Verzögerung und eine neue Route über die Venus und Erde, weil die leistungsfähige Centaur Oberstufe aus Sicherheitsgründen nicht mehr eingesetzt wurde. Nach dem Start stellte man dann fest das durch das mehrmalige transportieren der Sonde quer durch die USA wegen der Startverschiebungen Schmieröl aus dem Entfaltmechanismus der Hauptantenne gelaufen ist und die Sonde so nur 1/1000-1/10000 der Datenrate liefern kann.

Galileos Mission ging Ende 2003 zu Ende. Die Sonde hat zwar erheblich länger als ihre vorgesehenen 20 Monate gearbeitet, doch durch den Defekt der Hauptantenne gab es große Einschränkungen im Messprogramm.

Cassini ist die größte und teuerste Raumsonde die je gebaut wurde. Analog Galileo soll diese das Saturn System und seine Monde, vor allem Titan erforschen. Bislang läuft die Mission ohne Probleme und die Bilder der Sonde sind von ausgezeichneter Qualität.

Was sicher keiner der Projektwissenschaftler von Voyager dachte war wie bedeutungsvoll die verpasste Pluto Passage werden würde. Wie schon im Teil 1 erwähnt, bestand die Möglichkeit auch die Sonde nach Saturn zu Pluto zu lenken. Man verzichtete darauf, weil man vor dem Start selbst Pluto für uninteressant hielt - genauso wie die Monde der Gasplaneten. Doch wie bei diesen rächte sich dies bald. Zuerst entdeckte man 1978, das Pluto ein Doppelplanetensystem wie die Erde ist. In den 80 er Jahren entdeckte man das er zudem eine Atmosphäre hat, die sich allerdings nur in Sonnennähe (nächster Punkt 1989, etwa zu diesem Zeitpunkt hätte ihn eine Sonde erreichen können) bildet. Pluto war plötzlich interessant, aber keine Mission zu ihm unterwegs oder geplant.

Es gab in den 90 er Jahren zahlreiche Pläne für Plutomissionen. Doch Im Jahre 2000 wurde die schließlich eingeschlagene Mission PKE (Pluto Kuiper Express) gestrichen, weil die Kosten ausuferten. Es gelang einem Team um Alan Stern von der John Hopkins Universität eine preiswerte Alternative durchzusetzen und seit Januar 2006 ist die Raumsonde New Horizons unterwegs zu Pluto. Sie wird ihn im Juli 2015 erreichen.

Missionen zu den Planeten Uranus und Neptun sind derzeit nicht geplant. Die Planeten selbst sind mit den neuen Großteleskopen und HST auch von der Erde aus noch untersuchbar, bei den Monden ist dies natürlich nicht mehr der Fall.

Voyager in Zahlen

Voyager 1 Voyager 2
Projektbeginn 1.7.1972 1.7.1972
Start 5.9.1977 20.8.1977
Trägerrakete Titan 3E Centaur Nr.6/7 + TE-364-4 Oberstufe
Startmasse 825 kg
davon Instrumente 105 kg
Zahl der Instrumente 11
Missionsende (geplant) 2025
Kosten beim Start (ohne Trägerrakete) 335 Millionen USD
Kosten bis Ende 1989 865 Millionen USD, seitdem 4.5 Millionen pro Jahr
Jupitervorbeiflug am 5.3.1979 9.7.1979
minimale Distanz 278000 km 650000 km
Saturnvorbeiflug am 12.11.1980 25.8.1981
minimale Distanz 101300 km 124420 km
Uranusvorbeiflug am 24.1.1986
minimale Distanz 81422 km
Neptunvorbeiflug am 24.8.1989
minimale Distanz 4824 km
Bilder gesamt 35500 51000
Entfernung im Jahre 2025 22.5 Milliarden km 18.0 Milliarden km

Links

NSSC Informationen Voyager 1

NSSC Informationen Voyager 2

Voyager Atlas of Saturn NASA SP-474

Die Voyager Homepage des JPL informiert über die Mission und die Ergebnisse.
Die Projekt Voyager Homepage geht auf die Raumsonde selbst mehr ein und vor allem über die aktuellen und geplanten Aktivitäten. Dort finden Sie auch den Inhalt der Schallplatte die Voyager den Aliens bringt...

Planetary Data System

Alle Bilder sowie andere Daten von Voyager (Infrarotspektren, Ergebnisse von Sternbedeckungen) sind (lächerliche 20 Jahre nach dem Start) nun öffentlich zugänglich. Diese URL zeigt auf den Node des PDS wo Sie die Daten finden. Allerdings sind die Bilder in einem ungewöhnlichen Format gespeichert, so dass sie nicht direkt nutzbar sind. Ich habe für mich ein Programm geschrieben, welches die Daten in PNG Bilddateien konvertiert. Da es nur für mich gedacht ist, gibt es keine Dokumentation dazu und keinen öffentlichen Download Link. Kontaktieren Sie mich wenn Sie Interesse an dem Programm haben.

Dieser Text stammt von Bernd Leitenberger
© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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