Raumsonden und Orientierung: Am dritten Planeten nach links

Millimeterarbeit im All: Die Pluto-Raumsonde New Horizons funkt beinahe täglich Bilder des Zwergplaneten zur Erde. Ein kleines technisches Wunder, denn die Sonde muss sich in einem Raum orientieren, in dem es kein Oben und Unten gibt.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 9. Oktober 2015, 12:10 Uhr

Künstlerische Darstellung der New Horizons in der Nähe des Pluto (Bild: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Als die Raumsonde New Horizons am Pluto vorbeiflog, musste sie eine Reihe von präzisen Drehungen und Manövern durchführen. Die Sonde musste jederzeit genau wissen, wo sie ist und in welcher Lage sie sich befindet. Sonst hätte sie kaum eine Chance gehabt, gezielt Bilder von Pluto oder seinen Monden zu machen. Gleichzeitig ist bei New Horizons auch die Antenne fest verbaut, die die Daten zur Erde zurücksendet. Wenn die Antenne nicht wieder auf die Erde ausgerichtet wird, können keine Daten zurückkommen und die Sonde ist verloren.

Um die Kosten und das Gewicht der Sonde niedrig zu halten, wurden außerdem alle Kameras fest verbaut. Also muss sich die ganze Sonde drehen, um die Kameras auszurichten. Zur Orientierung dienen dabei mehrere Systeme.

Die wichtigsten Instrumente sind zwei Sonnensensoren, die die Position der Sonne bestimmen. Auch wenn nichts anderes mehr funktioniert, kann sich die Sonde damit zumindest auf die Sonne ausrichten. Das reicht aber nicht, um stark gebündelte Signale mit der Hauptantenne direkt zur Erde zu funken. Dazu muss die Antenne auf 0,2 Grad genau ausgerichtet werden. Vom Pluto aus gesehen, kann die Erde bis zu 1,7 Grad von der Sonne entfernt sein. Es ist aber noch eine zweite Antenne auf der Hauptantenne montiert (PDF), die eine Halbwertsbreite von 10 Grad hat und auch dann noch Signale mit niedriger Bandbreite zur Erde funken und empfangen kann.

Optische Systeme statt Kreiselkompass

Das zweite System ist die Inertial Measurement Unit (PDF). Das sind Gyroskope, mit denen die Rotationsgeschwindigkeit der Sonde gemessen werden kann.

Wissenschaftler benutzen dafür aber keine mechanischen Kreiselkompasse mehr, sondern optische Systeme, die mit dem Sagnac-Effekt funktionieren und ohne bewegliche Teile auskommen.

Dabei wird ein Laserstrahl geteilt und beide Teile werden auf eine ringförmige Bahn in entgegengesetzter Richtung geleitet, entweder durch eine Glasfaser oder mit Spiegeln. Am Ende werden beide wieder zusammengeführt. Die dunklen und hellen Bereiche der dabei entstehenden Interferenzmuster ändern sich je nach Rotationsgeschwindigkeit der Sonde.

Mit steigender Geschwindigkeit wechseln sich hell und dunkel immer wieder ab. Man muss es also wenigstens einmal kalibrieren, wenn die genaue Rotationsgeschwindigkeit der Sonde bekannt ist. Dazu kommt noch eine Reihe von Beschleunigungsmessern, die auch für die Rotationsmessung eingesetzt werden können.