1 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Willibald Riedler Graz, 3. Oktober 2003 Raumsonde Cassini/Huygens: Auf dem Weg zu Saturn und Titan Institut für Weltraumforschung Österreichische Akademie der Wissenschaften

2 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Beginn der experimentellen Weltraumforschung in Österreich Start der ersten in Graz gebauten Messgeräte am 26. November 1969 Institut für Nachrichtentechnik und Wellenausbreitung der Technischen Hochschule (bzw. Technischen Universität) Graz Andøya, Norwegen

3 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Institut für Weltraumforschung (IWF) Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW) 1972 – 1983 Direktor: Prof. Otto Burkard Stellvertreter: Prof. Willibald Riedler Seit 2001 Direktor: Prof. Hans Sünkel Stellvertreter: Prof. Helmut O. Rucker >70 Mitarbeiter neuer Standort in Graz-Messendorf: ÖAW-Forschungszentrum Graz Schmiedlstraße Direktor: Prof. Willibald Riedler Stellvertreter: Prof. Siegfried Bauer, Prof. Hans Sünkel (ab 1999)

4 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Physik des erdnahen Weltraums Leiter: Prof. Helmut O. Rucker (seit 1999) Magnetosphärenphysik Atmosphärenphysik Kometen/Oberflächen Satellitengeodäsie Leiter: Prof. Hans Sünkel (seit 1990) Erdschwerefeld SLR–Technologie GPS-Meteorologie Forschungsschwerpunkte Experimentelle Weltraumforschung Leiter: Prof. Wolfgang Baumjohann (seit 2001) Entwicklung und Bau von Satellitenexperimenten Datenauswertung und Forschung in der Weltraumplasmaphysik

5 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Abgeschlossene Missionen Mission Land/AgenturZiel Start Venera 13/14SUVenus1981 SpacelabESAPhysik/Technologie1983 Vega 1/2SUVenus, Komet Halley1984 Phobos 1/2SUMars1988 AustromirSUPhysik/Techn./Medizin1991 Mars 96SUMars1996 InterballSUErdmagnetosphäre1996 Mars Global SurveyorUSAMars1996 Equator-SBRDErdmagnetosphäre1997

6 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Laufende/Zukünftige Missionen Mission Agentur Ziel Start Cassini/HuygensNASA/ESASaturn, Titan1997 ClusterESAErdmagnetosphäre2000 Mars ExpressESAMars2003 DoubleStarCNSA/ESAErdmagnetosphäre2003 RosettaESAKomet Churyumov-Gerasimenko2004 COROTCNESAstronomie2005 Venus ExpressESAVenus2005 GOCEESAErdschwerefeld2006 DawnNASAAsteroiden Vesta & Ceres2006 THEMIS NASAErdmagnetosphäre2006 NetlanderCNESMars2009 BepiColomboESA/ISASMerkur2011 Solar OrbiterESASonne2012

7 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Sonnensystem 1 Merkur K Venus 3 Erde 4 Mars 5 Jupiter 6 Saturn 7 Uranus 8 Neptun 9 Pluto

8 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Größenvergleiche Voyager-Sonden der NASA Sonne Merkur Venus Erde Erdmond Mars Kallisto Ganymed Europa Io Amalthea Jupiter

9 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Saturn mittlerer Abstand von der Sonne: Mio. km Dauer des Saturnjahres: 29,5 Erdjahre Dauer des Saturntages: 10 h 39 m nach Jupiter zweitgrößter Planet im Sonnensystem Durchmesser: km Masse: 95,2 Erdmassen Oberflächentemperatur: -180 °C Atmosphäre aus ca. 75% H, 25% He und anderen Gasen Ringsystem bestehend aus Staub und Brocken (Stein und Eis) 18 bekannte Monde

10 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Magnetosphären im Sonnensystem Jupiter (Hubble ST) Saturn (Hubble ST)

11 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Saturnmonde EntfernungRadiusEntfernungRadius Mond(000 km)(km)EntdeckerJahrMond(000 km)(km)EntdeckerJahr Pan13410 Showalter1990Telesto29515Reitsema1980 Atlas13814Terrile1980Calypso 29513Pascu1980 Prometheus13946Collins 1980Dione377560Cassini1684 Pandora Collins 1980Helene Laques 1980 Epimetheus Walker 1980Rhea Cassini 1672 Janus Dollfus 1966Titan Huygens 1655 Mimas Herschel 1789Hyperion Bond 1848 Enceladus Herschel 1789Iapetus Cassini 1671 Tethys Cassini 1684Phoebe Pickering 1898 Titan Huygens1655

12 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Titan größter Mond des Saturn Entfernung zu Saturn: 1,22 Mio. km Durchmesser: km Masse:1, kg (2,3 % der Erdmasse) Oberflächentemperatur: -167 °C dichte Atmosphäre (Stickstoff, Argon, Methan, Spuren komplexerer Moleküle) Erde Mond Titan zweitgrößter Mond im Sonnensystem

13 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Giovanni Domenico Cassini französischer Astronom italienischer Herkunft erster Direktor der Pariser Sternwarte Nizza, 1625 – Paris, 1712 bestimmte die Rotations- perioden von Mars, Venus und Jupiter entdeckte 4 Monde des Saturns (Tethys, Dione, Rhea and Iapetus), eine Teilung des Saturnrings (Cassini, sche Teilung) u.a.

14 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Christiaan Huygens entdeckte die Ringe des Planeten Saturn und 1655 seinen größten Mond, Titan erklärte das Licht als eine Wellenbewegung fand die Gesetze des elastischen Stoßes und der Fliehkraft Erfinder der Pendeluhr erklärte die Doppelbrechung Den Haag, niederländischer Physiker und Astronom

15 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Raumsonde Cassini/Huygens Orbiter (= Cassini) wird Saturn ab (Erreichen der Saturn-Umlaufbahn) umkreisen (Missionsende: ). Landesonde (= Huygens) wird am Saturnmond Titan abgesetzt Abmessungen (b x h): 4 m x 6,8 m Masse - Orbiter: kg Masse - Treibstoff: kg Masse – Landesonde: 320 kg Wissenschaftliche Instrumente: 12 (Cassini) + 6 (Huygens)

16 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Instrumente auf Cassini Titan Radar Mapper (RADAR) Imaging Science Subsystem (ISS) Radio Science Subsystem (RSS) Visible and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) Composite Infrared Spectrometer (CIRS) Cosmic Dust Analyser (CDA) Radio and PlasmaWave Science (RPWS) Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVIS) Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) Dual Technique Magnetometer (MAG) Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) Plasma Spectrometer (CAPS)

17 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 RPWS IWF-Beitrag: Antennenkalibrierung des Antennensystems mittels experimenteller Technik der Rheometrie numerischer Computersimulation mittels Drahtgittermodellen In-Flight-Calibration: Vorbeiflug an Jupiter zur Jahreswende 2000/2001 R adio and P lasma W ave S cience Erforschung der Radioemission des Planeten Saturn Rückschlüsse auf physikalische Vorgänge im Saturnsystem, insbesondere in der hohen Atmosphäre (z.B. Blitzentladungen) und in der Magnetosphäre des Saturn

18 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Landesonde Huygens Gewicht: 320 kg, davon 48 kg Nutzlast Durchmesser: 2,7 m europäischer Teil der Raumsonde Cassini/Huygens erste direkte (in-situ) Messungen in der Atmosphäre des Saturnmondes Titan, deren Zusammensetzung ähnlich jener der Erde in Urzeiten vermutet wird u.a. eventueller Nachweis von Blitzen, die vielleicht für die Entwicklung organischer Moleküle verantwortlich sind

19 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Instrumente auf Huygens 1.Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI): physikalisches Profil der Titanatmosphäre Oberseite Unterseite 4.Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR): Struktur der Atmosphäre und Oberflächenbilder 5.Doppler Wind Experiment (DWE): Windmessungen 6.Surface Science Package (SSP): Zusammensetzung der Oberfläche des Titan 3.Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP): Sammeln und Erhitzen von Aerosolen 2.Gas Chromatograph Mass Spectrometer (GCMS): chemisches Profil der Atmosphäre

20 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 ACP Sammlung flüssiger und fester Teilchen bzw. Tröpfchen (Aerosole) der Atmosphäre in einem Filter Dreistufige Erhitzung des Filters in einem miniaturisierten Ofen Weiterleitung der entstehenden Gasprodukte an ein Massen- spektrometer (GCMS) zur chemischen Analyse Französisch-österreichische Kooperation IWF-Beitrag: Leitung der Entwicklung der Elektronik und Software A erosol C ollector and P yrolyser

21 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 ACP 2.Filter wird in den Ofen geschoben und in drei Stufen erhitzt 25°C, 400°C, 600°C 1.Titanatmosphäre wird mittels Pumpe durch Filter gesaugt 3.Jeweils entstehende Gasprodukte werden mit Stickstoff in das Analysegerät (GCMS) geblasen 2 3 1

22 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 GCMS Instrument zur chemischen Analyse der Titanatmosphäre Identifikation von Atmosphären- bestandteilen bis zu einem Molekulargewicht von 146 Aufschluss über Entstehungs- geschichte des Titan und Temperaturverteilung der Titan- atmosphäre unter Berücksichti- gung der Aerosolkonzentration Kenntnisse über die Bildung komplexer organischer Moleküle Aufschluss über das Teilchen- und Strahlungsverhalten im frühen Sonnensystem G as C hromatograph M ass S pectrometer

23 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 HASI multifunktionelles Instrument zur Bestimmung elektrischer Messgrößen, sowie von Temperatur, Druck und Beschleunigung in der Titanatmosphäre Untersuchung des Auftretens von Blitzen und Donner Abtastung der Titanober- fläche mittels Radar H uygens A tmospheric S tructure I nstrument IWF-Beitrag: Mitarbeit bei Entwicklung und Bau der digitalen Signalprozessoreinheit zur Steuerung von fünf Messgeräten, Verarbeitung der Daten und Übertragung zum zentralen Bordcomputer

24 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Mission Cassini/Huygens Start: 15. (bzw. 16. MEZ) Oktober1997, Cape Canaveral, USA viermaliges Schwungholen an Venus (2 x), Erde und Jupiter zurückzulegende Strecke: 3,2 Mrd. km Ankunft am Saturn: 1. Juli 2004 Trennung von Cassini und Huygens: 25. Dezember 2004 Landung der Sonde Huygens: 14. Januar 2005 Dauer der Landesequenz: 2 – 2,5 h Messungen auf der Oberfläche des Titan: min. Missionsdauer von Cassini: 4 Jahre ESA-Beitrag: ~ 287 Mio.

25 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Start Cassini/Huygens 15. (16.) Oktober 1997 Cape Canaveral Raketentyp: Titan IV B / Centaur

26 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Saturnbahn Jupiterbahn Erdbahn Venusbahn Flugbahn Cassini/Huygens 1. Schwungholen an der Venus 27. April Schwungholen an der Venus 24. Juni Schwungholen an der Erde 18. August 1999 Start 15. (16.) Oktober Schwungholen am Jupiter 30. Dezember 2000 Ankunft am Saturn 1. Juli 2004 Kurskorrektur 3. Dezember 1998 VVEJGA

27 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Kommunikationsprobleme 3. Februar 2000: Routine in-flight Test zur Überprüfung des Cassini/Huygens Radio Links Huygens Receiver Teil (auf Cassini) reagiert bei simuliertem Huygens-Signal mit Doppler-Frequenzverschiebung nicht vorschriftgemäß Bei derzeitig geplantem Missions-Szenario Verlust von 70% der von Huygens zu Cassini gesendeten Daten! Januar 2001: Zusammensetzung einer ESA/NASA Task Force (Huygens Recovery Task Force) zur Analyse und Behebung des Problems Schlussfolgerung nach 6 Monaten Arbeit: Problem ist ein Designfehler im Huygens Receiver Teil Entwurf einer neuen Cassini/Huygens-Missionsgeometrie zur Reduktion der Relativgeschwindigkeit notwendig Neue Geometrie verlangt den Verbrauch zusätzlicher Cassini-Treibstoffreserven, aber sichert alle Daten der Huygens-Mission

28 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Aufnahme der Raumsonde Cassini vom 12. Dezember 2000: Jupitervorbeiflug 30. Dezember 2000: Millenium Flyby Abstand zwischen Cassini und Jupiter: 19,5 Mio. km größte Annäherung an Jupiter: ca. 9,7 Mio. km 1. Januar 2001: RPWS empfängt Jupiter-Radiowellen Jupitermond Io und sein Schatten

29 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Erforschung des Titan PSE (Probe Support Equipment) an Bord von Cassini beobachtet die Landesonde und erfasst die Daten während des Abstiegs zum Titan 25. Dezember 2004: Trennung der Landesonde Huygens vom Orbiter Cassini 14. Januar 2005: 45 Minuten vor Eintritt in die Titan- Atmosphäre Aktivierung des elektrischen Systems der Landesonde Huygens 2,5-stündiger Abstieg zur Oberfläche des Titan

30 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Annäherung an Titan Huygens tritt mit km/h in die Titanatmosphäre ein Instrumente durch Hitzeschild geschützt Pilot-Fallschirm (2,5 m ) öffnet sich in 180 km Höhe Brems-Fallschirm (8 m ) öffnet sich in 165 km Höhe Absprengen des Hitzeschilds Stabilisierungs-Fallschirm (3 m ) entfaltet sich in 125 km Höhe

31 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Titanatmosphäre Raumsonde Voyager hat eine Atmosphäredichte von mbar gemessen (Erde: mbar) Hauptbestandteile: Stickstoff und Methan durch komplexe Photo- chemie entstehen zahlreiche organische Verbindungen Nebelschleier bestehend aus H-, C-, N-Verbindungen in ca. 70 km Höhe Aerosole (kondensierte polymerisierte chemische Verbindungen) bis in Höhen von 500 km Hypothese: Ozean aus Ethan und Methan

32 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Landung auf Titan nach ca. 2,5 h setzt Huygens mit ca. 20 km/h auf der Titanoberfläche auf raue Bedingungen am Titan: Temperaturen bis –200 °C, orkan- artige Winde Lebensdauer der Elektronik: einige Minuten rasche Untersuchung des Bodens

33 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Flugbahn Cassini/Huygens

34 Alexandra Scherr, IWF Graz, : Huygens auf Titan

35 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

36 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003

37 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003 Neue vs. alte Mission km ~72000 km Old Probe/Orbiter Trajectory Fly-By Alt = 1200 km BOM Dist = km EOM Dist = km PAA 40 o V rel 5.6 km/s New Orbiter Trajectory V rel 0.8 km/s PAA 75 o V rel 3.8 km/s PAA 25 o Titan Probe Entry Probe Touch-down Probe Entry Probe Touch-down Old Probe Trajectory New Probe Trajectory Neue Cassini-Bahn Alte Cassini-Bahn

38 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003

39 Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003