Hayabusa2 gelingt erstes Laser-Entfernungsmessungsexperiment auf einem Asteroiden

Japans Raumsonde Hayabusa2 hat ihrer Liste von Erkundungspremieren einen weiteren Eintrag hinzugefügt. Am Sonntag, dem 5. Juli, gelang es der Sonde, einen Laserstrahl vom Asteroiden Torifune abzuprallen und das zurückkehrende Signal aufzufangen, womit das erste Laser-Entfernungsmessungsexperiment abgeschlossen wurde, das jemals gegen einen Asteroiden durchgeführt wurde. Die Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) bestätigte den Meilenstein, der sich ereignete, als Hayabusa2 an Torifune vorbeiflog, dem ersten Ziel der erweiterten Mission der Sonde.

Die Errungenschaft ist mehr als eine technische Kuriosität. Die Laser-Entfernungsmessung funktioniert, indem sie misst, wie lange ein Lichtimpuls benötigt, um eine Oberfläche zu erreichen und zurückzukehren, was den Betreibern eine direkte Möglichkeit gibt, die Entfernung zu bestimmen und die physikalische Beschaffenheit eines Körpers aus der Ferne zu untersuchen. Laut JAXA wird die Demonstration die Fähigkeiten der eigenen Ingenieure und derjenigen anderer Raumfahrtagenturen stärken, während sie sich auf zukünftige Missionen zu erdnahen Asteroiden (NEAs) und anderen Objekten im tiefen Weltraum vorbereiten.

Ein Meilenstein auf Basis eines bewährten Höhenmessers

Das Experiment stützte sich auf den LIDAR-Laserhöhenmesser von Hayabusa2, bekannt als LALT. Das Instrument ist eine Weiterentwicklung des LIDAR-Höhenmessers, der auf JAXAs Mondorbiter Kaguya geflogen wurde, und wurde an die ganz anderen Anforderungen des Betriebs um einen kleinen Asteroiden angepasst.

LALT war nie nur für die Entfernungsmessung gedacht. Sein Design ermöglicht es ihm auch, zur Bestimmung der Dichte und Porosität eines Asteroiden beizutragen, aufzuzeichnen, wie reflektierend seine Oberfläche ist, und nach schwebenden Staubpartikeln zu suchen – dem feinen Material, das von einem kleinen Körper abgehoben werden und über seiner Oberfläche driften kann.

Das Instrument ist bereits ein Missionsveteran. Es spielte eine bedeutende Rolle bei der Navigation von Hayabusa2 und sammelte umfangreiche Daten über die Oberflächentopografie von Ryugu, dem Asteroiden, den die Sonde früher auf ihrer Reise untersuchte. Diese frühere Arbeit gab dem Team ein gut verstandenes Werkzeug, das es für die Begegnung mit Torifune anpassen konnte.

Zwei Schüsse auf ein Staubkorn aus Gestein

Das Timing war alles. Der Laser feuerte zweimal, um 18:29 Uhr (2:29 Uhr PDT; 5:29 Uhr EDT), wobei der erste Impuls 56,5 Sekunden vor dem Vorbeiflug an Torifune abgegeben wurde und der zweite 57,5 Sekunden davor. Hayabusa2 war beim ersten Schuss etwa 20 Kilometer (12,5 Meilen) entfernt und beim zweiten etwa 15 Kilometer (9,3 Meilen).

In beiden Momenten bewegte sich die Sonde mit 5,3 Kilometern pro Sekunde, was etwa 18.000 Kilometern pro Stunde entspricht (3,3 Meilen pro Sekunde oder 11.185 mph). Da der Strahl stark gebündelt ist, beleuchtete er nur einen kleinen Fleck von Torifune und deckte Flächen von etwa 30 Metern (100 Fuß) und 23 Metern (75,5 Fuß) Durchmesser ab.

Diese Kombination aus Geschwindigkeit, Entfernung und einem schmalen Strahl brachte eine Liste von Hindernissen hervor, mit denen sich das Missionsteam im Voraus auseinandersetzen musste.

• Der Laser musste auf ein kleines Ziel gerichtet werden, während die Sonde mit Tausenden von Kilometern pro Stunde daran vorbeiraste.
• Um dieses Ziel zu treffen, waren präzise Lage- und Bahnsteuerung erforderlich, wobei die Ausrichtung und der Pfad der Sonde in engen Grenzen gehalten werden mussten.
• Die Instrumente mussten so konfiguriert werden, dass schwache Rückkehrsignale von der Oberfläche nicht im Hintergrundrauschen verloren gingen.
• Die gesamte Sequenz erforderte umfangreiche Vorbereitungen des Missionsteams vor der Begegnung.

Diese Vorbereitungen zahlten sich bei beiden Versuchen aus, nicht nur bei einem. JAXA veröffentlichte Bilder, die den vom Laser beleuchteten Bereich zeigen, als die Entfernungsmessung erfolgreich war, zusammen mit den Fußabdrücken von Impulsen, die kein verwertbares Ergebnis lieferten.

Warum Laser-Entfernungsmessung im tiefen Weltraum so schwierig ist

Entfernungen mit Licht zu messen klingt im Prinzip einfach: einen Impuls aussenden, die Hin- und Rückreise messen, durch zwei teilen. In der Praxis entfallen im tiefen Weltraum die Hilfsmittel, die die Technik näher an der Erde routinemäßig machen. Dort draußen gibt es keine Referenzobjekte, an denen eine Messung verankert werden könnte, was eine genaue Entfernungsmessung erheblich schwieriger zu sichern und zu interpretieren macht.

Auf der Erde und im erdnahen Orbit können sich Betreiber auf bekannte Landmarken, Bodenstationen und Satellitennavigationssignale stützen, um ihre Arbeit zu überprüfen. Eine Sonde, die allein an einem Asteroiden operiert, muss sich auf ihr eigenes Instrument, ihre eigene Uhr und ein Lageregelungssystem verlassen, das gut genug ist, um einen schmalen Strahl auf einem unregelmäßigen, rotierenden Körper zu halten. Deshalb wird das Ergebnis von Torifune als Premiere und nicht als schrittweise Verbesserung behandelt.

Was die Demonstration eröffnet

Der Wert des Experiments liegt weitgehend in dem, was es über die Hardware und die sie unterstützenden Operationen beweist.

• Direkte Entfernungsmessung kann die Navigation einer Sonde bei Annäherungen schärfen, wenn präzise Entfernung und Geometrie am wichtigsten sind.
• Laser-Rückkehrsignale tragen Informationen über die Oberflächenreflexion und helfen Wissenschaftlern, Gelände- und Materialtypen zu unterscheiden.
• In Kombination mit anderen Messungen unterstützt die Entfernungsmessung Schätzungen der Dichte und Porosität eines Asteroiden, wichtige Hinweise auf seine innere Struktur und Geschichte.
• Empfindliche Rückkehrsignale könnten schwebenden Staub aufdecken, ein Phänomen, das beeinflusst, wie kleine Körper Material abgeben und umverteilen.

Für Hayabusa2, die bereits Jahre im tiefen Weltraum verbracht hat, ist der Test vom 5. Juli auch eine Erinnerung daran, dass erweiterte Missionen noch lange nach Abschluss ihrer primären Ziele neue Wissenschaft hervorbringen können. Torifune ist das erste Ziel dieser erweiterten Phase, und der Vorbeiflug gab dem Team die Gelegenheit, eine Technik zu validieren, die zuvor noch nie auf einem Asteroiden erprobt worden war.

Der Erfolg wirkt auch über Japan hinaus. Laser-Altimetrie und Entfernungsmessung sind gemeinsame Werkzeuge der internationalen Erkundungsgemeinschaft, und eine verifizierte Asteroiden-Demonstration gibt Ingenieuren anderswo einen Maßstab für Instrumentendesign und Betriebsverfahren, während mehr Raumsonden zu erdnahen und tiefen Weltraumzielen entsandt werden.

Vorerst sind die Schlagzeilenzahlen klein: ein Strahl, der einen Fleck Gestein von nur 23 Metern Durchmesser beleuchtete, abgefeuert aus etwa 15 Kilometern Entfernung von einer Sonde, die sich mit 18.000 Kilometern pro Stunde bewegte, wobei das Rückkehrsignal bei zwei aufeinanderfolgenden Versuchen im Abstand von Sekunden aufgefangen wurde. Das ist die Messung, die JAXA als Premiere bezeichnet, und sie wird wahrscheinlich als Vorlage für viele weitere dienen.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Lesen Sie den Originalartikel.