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Rendez-vous mit einem Kometen
09.06.2015 | Materials Alumni
Von: Matti Heer
Im Anschluss an die diesjährige GV der Materials Alumni referierte Kathrin Altwegg, Professorin an der Uni Bern, über die abenteuerliche, ja geradezu verrückte Mission, einen Kometen einzuholen, in dessen Orbit einzutreten und den damit verbundenen Untersuchungen über die Ursprünge des Lebens.
Als Schneelinie wird jene Grenze bezeichnet, bei welcher eine Nähe zur Sonne alles Wasser verdampfen lässt und bei einer zunehmende Entfernung das Wasser als Eis erhalten bleibt. Bei der Entstehung unseres Sonnensystems befand sich diese Schneelinie beim Jupiter. Somit konnte auf Kometen, die sich in der Nähe des Pluto (Kuiper Gürtel, Oortsche Wolke) befinden, Material von der Entstehung des Sonnensystems und Vorläufermaterial vom ersten Leben konserviert werden. Der Vorteil von Kometen ist, dass sie durch kosmische Gezeitenkräfte - z.B. von Sternen, die am Sonnensystem vorbeifliegen - aus einer stabilen Bahn losgelöst werden können. Werden die Kometen aus ihrer stabilen Bahn geworfen, fallen sie entweder in Richtung Sonne oder verlassen das Sonnensystem. Jene Kometen, die sich auf den Weg zur Sonne machen, werden vom Jupiter abgelenkt und treten in eine elliptische Umlaufbahn ein, die den Kometen in die Nähe der Erde führt und sie somit erreichbar macht für Weltraummissionen.
Stammt das Wasser auf der Erde von Kometen?
Um genügend Wasser auf die Erde zu bringen, benötigt es rund 10 Millionen Kometeneinschläge. Unsere Erde ist 4.6 Milliarden Jahre alt. Heute ist bekannt, dass die Erde etwa alle 60 Mio. Jahre von einem Kometen getroffen wird. Insgesamt ergibt das rund 80 Kometen, welche die Erde bis anhin getroffen haben. Vor ca. 3.8 Milliarden Jahren kam es zu einer starken Konzentration der Einschläge (Late heavy bombardment LHB). In dieser Zeit schlug alle 20 Jahre eine Komet in die Erde ein. Um die Erde mit genügend Wasser zu versorgen, hätte diese Häufung jedoch rund 200 Milliarden Jahre dauern müssen. Es ist als eher unwahrscheinlich, dass das Wasser der Erde von Kometeneinschlägen stammt.
Kommt das Leben von den Sternen?
Kometen transportieren das Vorläufermaterial von Leben. Das Material stammt aus präsolaren Dunkelwolken, in welchen durch katalytische Chemie organische Verbindungen entstehen. Es ist bekannt, dass es sich bei solchen Molekülen auch um Aminosäuren mit bis zu 11 Kohlenstoffatomen handeln kann. Diese Aminosäuren könnten als Ausgangsbausteine für komplexere Moleküle gedient haben, aus denen dann Leben entstanden ist. Bei der Entstehung des Sonnensystems fror jenes Material auf Kometen ein. Kometen dienten also als Lieferanten von Wasser und organischem Material und somit als Kickstart-Hilfe für die Entstehung von Leben auf der Erde.
Das Projekt ROSETTA
Um die soeben herbeigeführte Theorie zu erforschen wurde das Projekt ROSETTA im Jahr 1992 ins Leben gerufen. Kathrin Altwegg wurde 1996 Projektleiterin von ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis), der Schweizer Beteiligung auf der Sonde ROSETTA, am Institut für „Space Research & Planetary Sciences“ an der Universität Bern.
Das Projekt ROSINA besteht aus 3 Experimentaleinheiten:
- Das „Double Focusing Mass Spectrometer (DFMS)“ dient als Messgerät für die Untersuchung der von Kometen freigesetzten Staub- und Gas-Molekülen. Es kann die Masse pro Messung sehr genau bestimmen.
- Das „Reflection Time-Of-Flight mass spectrometer (RTOF)“ ist ein Flugzeitmassenspektrometer, der verschiedene Massen anhand ihrer unterschiedlichen Flugzeiten messen kann.
- Der Comet Pressure Sensor (COPS) liefert Ergebnisse zur Messung der Gesamtdichte der austretenden Stoffe und des Staudruckes des Kometen.
Bei der Zusammenstellung der Experimentaleinheiten mussten die Forscher verschiedene Herausforderungen meistern. Zum einen mussten sie eine Struktur entwickeln, die trotz der mechanischen Belastungen beim Start genügend leicht ist, um das vorgegebene Massenbudget einzuhalten und den Weltraum trotzdem unbeschadet erreicht. ROSETTA muss sowohl den tiefen Temperaturen in Sonnenferne wie auch den hohen Temperaturen in Sonnennähe standhalten können, ohne dass die Messgenauigkeit darunter leidet. Und schlussendlich müssen die Geräte aufgrund der grossen Distanz der Sonde zur Erde – heute dauert es rund 22 Minuten bis ein Signal die Sonde erreicht - eine hohe Autonomie aufweisen.
Die Experimente wurden an der Uni Bern entwickelt und anschliessend durch die Industrie in flugtaugliche Modelle umgewandelt. Anschliessend testete die Uni Bern die Modelle extensiv, um zu verifizieren, dass die Experimente den vielen Strapazen wirklich standhalten können.
Reise mit verzögertem Startschuss
Am 11. Dezember 2002 kam es zu einem Fehlstart, bei dem eine Ariane 5 Trägerrakete gesprengt werden musste. Die Untersuchungen dieses Vorfalls verhinderten den geplanten Start zum Kometen 46P/Wirtanen vom 13. Januar 2003. Der Start der ROSETTA Mission verzögerte sich um mehr als ein Jahr bis schliesslich am 2. März 2004 eine Ariane 5 Rakete die Sonde ROSETTA auf ihren Weg zu ihrem neuen Ziel, dem Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, brachte.
Auf der 10-jährigen Reise besuchte die Raumsonde ROSETTA den Asteroiden „Steins“ nach einer bis dahin zurückgelegten Distanz von rund 1 Milliarde Kilometern. Aus einer Nähe von 802km fotografierte die Sonde den Asteroiden. Im Jahr 2011 versetzte man die Sonde in einen Winterschlaf um Energie zu sparen und weckte sie im Januar 2014 wieder auf. Alle Systeme funktionierten weiterhin einwandfrei. Anfang August 2014 befand sich ROSETTA in einer Entfernung von rund 100km zum Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Bis am 10. Oktober pendelte sich diese Distanz auf eine Umlaufbahn von 10 km Abstand ein.
Welche Stoffe kommen vor?
Erste Dichtemessungen erfolgten schon ab einer Entfernung von 100 Kilometern. Da die Menge des vom Kometen abgegebenen Gases davon abhing, wie viel Querschnittsfläche der Sonde zugewandt war und wie diese Fläche von der Sonne beschienen wurde, konnten entsprechende Dichteschwankungen registriert werden, die auch auf die Rotationsperiode hinwiesen (Rotationsperiode 12.8h).
Erste Massenspektrometermessungen ergaben erste Einblicke über die vorhandenen Stoffe: NH3, CO, CO2, HCN, CH2O, Edelgase und Aromate wurden gefunden. Die Entdeckung der erhofften schwereren Moleküle - im Speziellen Aminosäuren – blieb bis anhin noch aus. Diese werden jedoch bei einer zunehmenden Annäherung zur Sonne erwartet.
Weitere Messungen ergaben, dass das Wasser auf der Erde nicht von einem aus derselben Region wie 67P/Churyumov-Gerasimenko stammenden Kometen stammen kann. Anhand eines Vergleich des Isotopen-Verhältnisses von Deuterium zu Wasserstoff auf der Erde mit demselben Verhältnis auf dem Kometen konnte diese Erkenntnis abgesichert werden.
Weitere spannende Untersuchungen folgen
Die Mission geht noch bis im Herbst 2016 weiter. Der Treibstoffvorrat wird zu jenem Zeitpunkt praktisch aufgebraucht sein. Die Mission soll daher mit einem immer enger werdenden Orbit und dem finalen Einschlag der Sonde abgeschlossen werden. In der Zwischenzeit werden die Beteiligten jedoch noch viele spannende Untersuchungen durchführen und hoffentlich auch zahlreiche neue Erkenntnisse gewinnen.
Die Materials Alumni bedanken sich ganz herzlich bei Kathrin Altwegg für diesen äusserst spannenden Vortrag.