Akatsuki (あかつき, 暁; „Morgenröte“) , auch bekannt als Venus Climate Orbiter ( VCO ) und Planet-C , war eine Raumsonde der japanischen Raumfahrtbehörde JAXAzur Erforschung der Venusatmosphäre . Sie wurde am 20. Mai 2010 mit einer H-IIA-202-Rakete gestartet [ 7 ] , erreichte jedoch am 6. Dezember 2010 nicht die Umlaufbahn um die Venus. Nachdem die Sondefünf Jahre lang die Sonne umkreist hatte , gelang es Ingenieuren am 7. Dezember 2015, sie durch 20-minütiges Zünden ihrer Lageregelungstriebwerke erfolgreich in eine alternative elliptische Venusumlaufbahn zu bringen . Damit war sie der erste japanische Satellit, der die Venus umkreiste. [ 5 ] [ 6 ] [ 8 ] [ 9 ]

Mithilfe von fünf verschiedenen Kameras, die in mehreren Wellenlängenbereichen arbeiten, untersuchte Akatsuki die Schichtung der Atmosphäre, die Atmosphärendynamik und die Wolkenphysik. [ 10 ] [ 11 ] Astronomen, die an der Mission beteiligt waren, berichteten im Dezember 2015 über die Entdeckung einer möglichen Schwerewelle (nicht zu verwechseln mit Gravitationswellen ) in der Venusatmosphäre. [ 12 ] [ 13 ]

Die JAXA verlor Ende April 2024 den Kontakt zur Sonde. [ 14 ] Die Operation wurde am 18. September 2025 offiziell eingestellt. [ 15 ]

Mission

Akatsuki war Japans erste planetare Erkundungsmission seit der gescheiterten Mars-Sonde Nozomi , die 1998 gestartet wurde. Ursprünglich sollte Akatsuki zwei oder mehr Jahre lang wissenschaftliche Forschung in einer elliptischen Umlaufbahn um die Venus in einer Höhe von 300 bis 80.000 km (190 bis 49.710 Meilen) durchführen [ 1 ]. Die alternative Umlaufbahn musste jedoch stark elliptisch sein und erreichte am erdnächsten Punkt eine Höhe zwischen 1.000 und 10.000 Kilometern (620 und 6.210 Meilen) und am erdfernsten Punkt etwa 360.000 Kilometer (220.000 Meilen). Dieser größere Umlauf dauert 10 Tage anstatt der ursprünglich geplanten 30 Stunden. [ 16 ] Das Budget für diese Mission betrug 14,6 Milliarden Yen ( 174 Millionen US-Dollar ) für den Satelliten und 9,8 Milliarden Yen (116 Millionen US-Dollar) für den Start. [ 17 ]

Die Beobachtungen umfassten Wolken- und Oberflächenaufnahmen aus einer Umlaufbahn um den Planeten mit Kameras, die im Infrarot-, sichtbaren und UV-Bereich arbeiteten, um die komplexe Meteorologie der Venus zu untersuchen und die Prozesse hinter der rätselhaften atmosphärischen Superrotation zu ergründen . Während sich die Venus am Äquator mit 6 Kilometern pro Stunde (3,7 mph) dreht, rotiert die Atmosphäre mit 300 Kilometern pro Stunde (190 mph) um den Planeten. Weitere Experimente dienten dazu, das Vorhandensein von Blitzen zu bestätigen und festzustellen, ob es aktuell Vulkanismus auf der Venus gibt. [ 18 ]

Raumschiffdesign

Konfiguration des Akatsuki-Raumschiffs (links) und ein Foto des Raumschiffs mit eingeklappten Solarmodulen (rechts) [ 10 ].
Schematische Darstellung der dreidimensionalen Beobachtung durch Akatsuki [ 10 ]

Der Hauptbus ist ein 1,45 × 1,04 × 1,44 m großer Kasten mit zwei Solarzellen , die jeweils eine Fläche von etwa 1,4 m² aufweisen . Die Solarzellen lieferten im Venusorbit über 700 W Leistung. Die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs beim Start betrug 517,6 kg. [ 1 ] Die Masse der wissenschaftlichen Nutzlast betrug 34 kg. [ 19 ]

Der Antrieb erfolgte durch ein 500 Newton (110  lbf ) starkes Zweikomponenten- Orbitalmanövriertriebwerk aus Hydrazin und Distickstofftetroxid sowie zwölf Hydrazin-Reaktionssteuertriebwerke mit jeweils einem Treibstoff von 23 N (5,2 lbf ) und vier mit 3 N (0,67 lbf ) . [ 1 ] Es war das erste Raumschiff, das ein Keramik- Bremstriebwerk ( Siliziumnitrid ) verwendete . [ 20 ] Die Gesamttreibstoffmasse beim Start betrug 196,3 kg (433 lb). [ 1 ]

Die Kommunikation erfolgte über einen 8-GHz- X-Band -Transponder mit 20 Watt Sendeleistung und einer 1,6 m langen Hochleistungsantenne. Die Hochleistungsantenne war flach, um eine Überhitzung zu vermeiden. [ 11 ] Akatsuki verfügte außerdem über zwei auf Drehtellern montierte Hornantennen mit mittlerer Verstärkung sowie zwei Antennen mit niedriger Verstärkung für die Befehlsübertragung. Die Hornantennen mit mittlerer Verstärkung wurden für die Übertragung von Betriebsdaten verwendet, wenn die Hochleistungsantenne nicht zur Erde ausgerichtet war. [ 1 ]

Instrumente

Akatsuki- Raumschiff vor dem Start

Die wissenschaftliche Nutzlast bestand aus sechs Instrumenten. Fünf Bildgebungskameras wurden eingesetzt, um die Venus in Wellenlängenbereichen vom Ultraviolett bis zum mittleren Infrarot zu erforschen: [ 21 ] [ 22 ]

  1. Die Lightning and Airglow Camera ( LAC ) suchte nach Blitzen im sichtbaren Spektrum (552–777 nm).
  2. Mit dem Ultraviolett-Imager ( UVI ) wurde die Verteilung bestimmter atmosphärischer Gase wie Schwefeldioxid und des bekannten unbekannten Absorbers im ultravioletten Wellenlängenbereich (283–365 nm) untersucht.
  3. Die Langwellen-Infrarotkamera ( LIR ) untersuchte die Struktur von hochgelegenen Wolken bei einer Wellenlänge, bei der sie Wärme abgeben (10 μm).
  4. Die Infrarotkamera  ( IR1 ) mit einer Wellenlänge von 1 μm erfasste die Wärmestrahlung (0,90–1,01 μm) der Venusoberfläche auf der Nachtseite und unterstützte Forscher bei der Suche nach aktiven Vulkanen . Auf der Tagseite detektierte sie die von den mittleren Wolken reflektierte solare Nahinfrarotstrahlung (0,90 μm). Der Betrieb des Instruments wurde im Dezember 2016 aufgrund eines Elektronikdefekts eingestellt. [ 23 ] [ 24 ]
  5. Die Infrarotkamera ( IR2 ) mit einer Wellenlänge von 2 μm untersuchte die Opazität der unteren Wolken auf der Nachtseite gegenüber der thermischen Strahlung der Erdoberfläche und tieferer Atmosphäre (1,74–2,32 μm). Auf der Tagseite erfasste sie zudem die CO₂ - Bande bei 2,02 μm, anhand derer die Höhe der Wolkenobergrenze bestimmt werden konnte. Während der Messfahrt wurde außerdem ein 1,65-μm-Filter zur Untersuchung des Zodiakallichts eingesetzt. Der Betrieb des Instruments wurde im Dezember 2016 aufgrund eines Elektronikdefekts eingestellt. [ 24 ]
  6. Der ultrastabile Oszillator ( USO ) zur Durchführung von Radiookkultationsexperimenten .

Öffentlichkeitsarbeit

Zwischen Oktober 2009 und Januar 2010 führten die Planetary Society und JAXA eine PR-Kampagne durch , um Einzelpersonen die Möglichkeit zu geben, ihren Namen und eine Nachricht an Bord von Akatsuki zu senden . [ 25 ] [ 26 ] Namen und Nachrichten wurden in feiner Schrift auf eine Aluminiumplatte gedruckt und an Bord von Akatsuki platziert . [ 25 ] 260.214 Personen reichten Namen und Nachrichten für die Mission ein. [ 27 ] Für das Raumschiff wurden etwa 90 Aluminiumplatten hergestellt, [ 28 ] darunter drei Aluminiumplatten mit Abbildungen der Vocaloid Hatsune Miku und ihrer Super-Deformed -Figur Hachune Miku. [ 29 ]

Betrieb

Start

Die Gründung von Akatsuki
Animation der Akatsuki -Entwicklung vom 21. Mai 2010 bis zum 31. Dezember 2016
  Akatsuki
  Venus
  Erde
  Sonne

Akatsuki verließ den Sagamihara-Campus am 17. März 2010 und erreichte am 19. März das Raumfahrzeug-Test- und Montagegebäude 2 des Tanegashima-Raumfahrtzentrums . Am 4. Mai wurde Akatsuki in die große Nutzlastverkleidung der H-IIA -Rakete eingekapselt , die das Raumfahrzeug zusammen mit dem Sonnensegel IKAROS auf eine sechsmonatige Reise zur Venus beförderte. Am 9. Mai wurde die Nutzlastverkleidung zur Fahrzeugmontagehalle des Tanegashima-Raumfahrtzentrums transportiert, wo sie mit der H-IIA-Trägerrakete selbst verbunden wurde. [ 30 ]

Das Raumschiff wurde am 20. Mai 2010 um 21:58:22 Uhr ( UTC ) vom Weltraumbahnhof Tanegashima aus gestartet, [ 18 ] nachdem der Start aufgrund von Wetterbedingungen vom ursprünglich geplanten Termin am 18. Mai verschoben worden war. [ 31 ]

Fehler beim Einführen in die Umlaufbahn

Bewegung der Raumsondenbahn und der Venus in einem entlang der Sonne-Erde-Linie fixierten, rotierenden Koordinatensystem im ursprünglichen Plan. Die Zahlen in der Abbildung geben die Tage nach VOI an. [ 10 ]

Akatsuki sollte am 6. Dezember 2010 um 23:49:00 UTC durch Zündung des Bahnmanövriertriebwerks in die Umlaufbahn eintreten . [ 30 ] Der Brennvorgang sollte zwölf Minuten dauern und zu einer anfänglichen Venusumlaufbahn mit einer Apoapsishöhe von 80.000 km (50.000 Meilen), einer Periapsishöhe von 300 km (190 Meilen) und einer Umlaufzeit von 30 Stunden führen . [ 32 ]

Das Einschwenkmanöver in die Umlaufbahn hatte planmäßig begonnen, doch nach dem erwarteten Blackout aufgrund der Venusbedeckung konnte die Kommunikation mit der Sonde nicht wie geplant wiederhergestellt werden. Die Sonde befand sich im sicheren Haltemodus, einem spinstabilisierten Zustand mit zehn Minuten Rotationszeit. [ 33 ] Aufgrund der geringen Übertragungsgeschwindigkeit über die Antenne mit niedriger Verstärkung dauerte es einige Zeit, den Zustand der Sonde zu bestimmen. [ 34 ] JAXA gab am 8. Dezember bekannt, dass das Einschwenkmanöver der Sonde fehlgeschlagen war. [ 35 ] [ 36 ] Auf einer Pressekonferenz am 10. Dezember berichteten Offizielle, dass die Triebwerke von Akatsuki weniger als drei Minuten lang zündeten – weit weniger als für den Eintritt in die Venusumlaufbahn erforderlich. [ 37 ] Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Triebwerksstörung wahrscheinlich durch Salzablagerungen verursacht wurde, die das Ventil zwischen Helium-Drucktank und Treibstofftank blockierten. Dadurch wurde die Verbrennung im Triebwerk zu oxidatorreich, was zu hohen Verbrennungstemperaturen führte, die den Brennkammerhals und die Düse beschädigten. Ein ähnliches Problem mit Dampfleckagen führte 1993 zum Scheitern der NASA - Sonde Mars Observer . [ 38 ]

Folglich befand sich die Sonde in einer heliozentrischen Umlaufbahn anstatt in einer Venusumlaufbahn. Da die resultierende Umlaufbahn eine Umlaufzeit von 203 Tagen aufwies [ 39 ] , die kürzer war als die Umlaufzeit der Venus von 225 Tagen, driftete die Sonde im Vergleich zur Venus um die Sonne.

Wiederherstellungsmaßnahmen

JAXA entwickelte Pläne für einen weiteren Versuch, die Sonde in die Venusumlaufbahn einzuschwenken, sobald diese im Dezember 2015 zur Venus zurückgekehrt war. Dazu musste die Sonde in einen „Ruhezustand“ oder Sicherheitsmodus versetzt werden , um ihre Lebensdauer über die ursprünglich geplanten 4,5 Jahre hinaus zu verlängern. JAXA zeigte sich zuversichtlich, die Sonde weiterhin betriebsbereit zu halten, und verwies auf den geringeren Batterieverschleiß, da die Sonde nun die Sonne anstatt ihrer vorgesehenen Venusumlaufbahn umkreiste. [ 40 ]

Telemetriedaten des ursprünglichen Fehlers deuteten darauf hin, dass der Brennkammerhals des Haupttriebwerks, des Bahnmanövertriebwerks (OME), noch weitgehend intakt war. Am 7. und 14. September 2011 wurden daher zwei Testzündungen des bordeigenen OME durchgeführt. [ 30 ] Der Schub betrug jedoch nur etwa 40 Newton (9,0 lb f ), was lediglich 10 % der erwarteten Leistung entsprach. Im Anschluss an diese Tests wurde festgestellt, dass der spezifische Impuls für Bahnmanöver durch das OME nicht ausreichte. Man schloss daraus, dass der verbleibende Brennkammerhals durch die kurzzeitige Zündung des Triebwerks vollständig zerstört worden war. Daher wurde beschlossen, die Sonde mithilfe von vier Hydrazin- Lageregelungstriebwerken , auch Reaktionskontrollsystem (RCS) genannt, in eine Umlaufbahn um die Venus zu bringen. Da die RCS-Triebwerke keinen Oxidator benötigen, wurden die verbleibenden 65 Kilogramm Oxidator ( MON ) im Oktober 2011 abgelassen, um die Masse des Raumfahrzeugs zu reduzieren. [ 38 ]

Am 1., 10. und 21. November 2011 wurden drei Peri-Venus-Manöver mit Hilfe der RCS-Triebwerke durchgeführt . [ 18 ] Dabei wurde der Raumsonde eine Gesamtgeschwindigkeitsänderung (Delta- v) von 243,8 Metern pro Sekunde (800 Fuß/s) verliehen. Da der spezifische Impuls der RCS-Triebwerke im Vergleich zum spezifischen Impuls des OME gering ist, war der zuvor geplante Eintritt in eine niedrige Venusumlaufbahn nicht mehr möglich. Stattdessen wurde nun geplant, die Sonde in eine stark elliptische Umlaufbahn mit einem Apoapsis von 100.000 Kilometern und einem Periapsis von einigen Tausend Kilometern Entfernung von der Venus zu bringen. Die Ingenieure planten, dass die alternative Umlaufbahn prograd (in Richtung der atmosphärischen Superrotation) verlaufen und in der Bahnebene der Venus liegen sollte. Methode und Umlaufbahn wurden von JAXA im Februar 2015 bekanntgegeben, der Eintritt in die Umlaufbahn war für den 7. Dezember 2015 geplant. [ 41 ] Die Sonde erreichte ihren entferntesten Punkt von der Venus am 3. Oktober 2013 und näherte sich dem Planeten seitdem. [ 42 ]

Orbit-Einführung

Animation der Umlaufbahn von Akatsuki um die Venus ab dem 1. Dezember 2015   Akatsuki  ·  Venus

Nach dem letzten von vier Kurskorrekturmanövern zwischen dem 17. Juli und dem 11. September 2015 befand sich die Sonde auf einer Flugbahn, die sie am 7. Dezember 2015 an der Venus vorbeiführen sollte. Zu diesem Zeitpunkt sollte Akatsuki nach einem 20-minütigen Brennvorgang mit vier Triebwerken, die nicht für ein solch intensives Manöver ausgelegt waren, in eine Venusumlaufbahn eintreten. [ 5 ] [ 6 ] [ 43 ] Anstatt der ursprünglich geplanten 30 Stunden für einen Umlauf um die Venus, sollte Akatsuki nach einer Anpassung im März 2016 in einer neuntägigen Umlaufbahn verweilen. [ 4 ]

Nachdem die Ingenieure der japanischen Fluggesellschaft JAXA die Umlaufbahn nach dem Eintritt in die Umlaufbahn am 7. Dezember vermessen und berechnet hatten, gab JAXA am 9. Dezember bekannt, dass Akatsuki erfolgreich in die geplante elliptische Umlaufbahn eingetreten sei, in einer Entfernung von bis zu 440.000 km (270.000 Meilen) von der Venus und bis zu 400 km (250 Meilen) von der Venusoberfläche, mit einer Umlaufzeit von 13 Tagen und 14 Stunden. [ 44 ]

Ein weiterer Triebwerkszündvorgang am 26. März 2016 senkte den Apoapsis von Akatsuki auf etwa 370.000 km (230.000 Meilen), die Periapsishöhe änderte sich periodisch zwischen 1.000 und 10.000 Kilometern (620 und 6.210 Meilen), und die Umlaufzeit verkürzte sich von 13 auf etwa 10 Tage. [ 3 ] [ 4 ]

Status

Der Orbiter nahm Mitte Mai 2016 seinen zweijährigen regulären wissenschaftlichen Betrieb auf. [ 45 ] Am 9. Dezember 2016 fielen die Nahinfrarotkameras (1 μm und 2 μm) aufgrund eines Elektronikdefekts aus. [ 23 ] [ 24 ] Die Langwellen-Infrarotkamera, die Ultraviolettkamera sowie die Blitz- und Nachthimmelsleuchtkamera funktionierten weiterhin einwandfrei. [ 24 ]

Im April 2018 schloss Akatsuki seine reguläre Beobachtungsphase ab und trat in eine verlängerte Betriebsphase ein. [ 46 ] Der verlängerte Betrieb wurde bis Ende 2020 genehmigt; weitere Missionsverlängerungen sollten je nach Zustand des Raumfahrzeugs zu diesem Zeitpunkt geprüft werden. Im November 2019 wurde geschätzt, dass Akatsuki über genügend Treibstoff verfügte, um den Betrieb für mindestens zwei weitere Jahre fortzusetzen. [ 47 ]

Stand März 2024 war der Betrieb bis zum Geschäftsjahr 2028 geplant. [ 48 ] Im April 2024 führte eine verminderte Präzision der Lageregelung zum Kommunikationsabbruch. [ 49 ] JAXA erklärte den Kontaktverlust des Raumfahrzeugs zur Erde am 29. Mai 2024. [ 50 ] [ 51 ] Der Betrieb wurde am 18. September 2025 offiziell eingestellt. [ 15 ]

Wissenschaft

Drei Stunden nach dem Eintritt in die Atmosphäre im Dezember 2015 und in einigen wenigen Messungen im April und Mai 2016 registrierten die Instrumente der Sonde ein bogenförmiges Gebilde in der Atmosphäre, das sich über 9.656 Kilometer (6.000 Meilen) erstreckte, fast von Pol zu Pol – ein seitliches Lächeln. [ 52 ] Die Wissenschaftler des Projekts bezeichneten dieses Gebilde als „ Schwerewelle “ in den Winden des Planeten über der Aphrodite-Terra- Region mit ihren Grabenbrüchen und über 4.000 Meter (13.000 Fuß) hohen Bergen. [ 12 ] [ 13 ] Die Mission sammelt Daten in allen relevanten Spektralbändern vom Ultraviolettbereich (280 nm) bis zum mittleren Infrarotbereich (10 μm). [ 53 ]

Bilder des Akatsuki- Orbiters zeigten in der unteren und mittleren Wolkenregion, die sich in einer Höhe von 45 bis 60 Kilometern erstreckt, ein Phänomen ähnlich dem Jetstream . [ 54 ] Die Windgeschwindigkeit erreichte in Äquatornähe ihr Maximum. Im September 2017 gaben JAXA-Wissenschaftler diesem Phänomen den Namen „Venusian Equatorial Jet“. [ 55 ] Sie veröffentlichten außerdem Ergebnisse zu äquatorialen Winden in der Wolkenobergrenze, die sie durch die Beobachtung von Wolken im UV-Spektrum ermittelten. [ 56 ] Ein bedeutendes Ergebnis aus dem Jahr 2018 war das Auftreten dichter Wolken aus kleinen Partikeln nahe dem Übergang zwischen oberen und mittleren Wolken, was als „neue und rätselhafte Morphologie der komplexen Wolkendecke“ beschrieben wurde. [ 52 ] Bereits 2017 veröffentlichte das Wissenschaftlerteam 3D-Karten der Venusatmosphärenstruktur. [ 52 ] Zu den ermittelten physikalischen Größen gehören Druck, Temperatur und Wasserstoff.2ALSO4Dampfdichte sowie die ionosphärische Elektronendichte und deren Variationen. [ 52 ] Im Jahr 2019 wurden die ersten Ergebnisse zur Morphologie, zu zeitlichen Veränderungen [ 57 ] und zu den Winden in den mittleren Wolken der Venus veröffentlicht und erhielten eine Titelgeschichte in den Geophysical Research Letters . Darin wurden unerwartet hohe Kontraste festgestellt, die auf das Vorhandensein von Absorbern wie Wasser hindeuten könnten. [ 58 ]

Um Blitze abzubilden, hatte der Orbiter etwa alle zehn Tage für etwa 30 Minuten Sicht auf die dunkle Seite der Venus. [ 59 ] Im März 2020 wurde ein Blitz registriert, der zwar wahrscheinlich kein Bolide oder kosmischer Strahl war , aber nicht als Blitz bestätigt wurde. [ 60 ]

  • Eine Aufnahme der Venus mit dem AKATSUKI Ultraviolet Imager (UVI)
    Eine Aufnahme der Venus mit dem AKATSUKI Ultraviolet Imager (UVI)
  • Ein Bild der Venus mit einem sichelförmigen Bereich, der von Sonnenlicht beleuchtet wird. Das Bild wurde mit UVI aufgenommen.
    Ein Bild der Venus mit einem sichelförmigen Bereich, der von Sonnenlicht beleuchtet wird. Das Bild wurde mit UVI aufgenommen.
  • Eine Aufnahme der Nachtseite der Venus mit der AKATSUKI 2-μm-Kamera (IR2). In den dunklen Bereichen wird das Licht von CO2-Wolken absorbiert.
    Eine Aufnahme der Nachtseite der Venus mit der AKATSUKI 2-μm-Kamera (IR2). In den dunklen Bereichen wird das Licht von CO₂ - Wolken absorbiert.
  • Ein Bild der Venusoberfläche mit der AKATSUKI 1-μm-Kamera (IR1)
    Ein Bild der Venusoberfläche mit der AKATSUKI 1-μm-Kamera (IR1)

Siehe auch

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