OSIRIS-REx in Startkonfiguration

OSIRIS-REx [ a ] war eine NASA -Mission zur Erforschung und Probenrückführung des Asteroiden 101955 Bennu , eines kohlenstoffhaltigen erdnahen Asteroiden . [ 14 ] Das im September 2023 zurückgebrachte Material soll Wissenschaftlern neue Erkenntnisse über die Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems , die frühen Phasen der Planetenentstehung und die Herkunft der organischen Verbindungen liefern , die zur Entstehung des Lebens auf der Erde führten. [ 15 ] Nach Abschluss der Hauptmission OSIRIS-REx (Regolith Explorer) begann die Raumsonde, nun OSIRIS-APEX (Apophis Explorer), eine Folgemission zum Asteroiden 99942 Apophis . [ 16 ]

OSIRIS-REx startete am 8. September 2016, passierte die Erde am 22. September 2017 und erreichte Bennu am 3. Dezember 2018. [ 17 ] In den folgenden zwei Jahren analysierte die Sonde die Oberfläche, um einen geeigneten Ort für die Probenentnahme zu finden. Am 20. Oktober 2020 landete OSIRIS-REx auf Bennu und entnahm erfolgreich eine Probe. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Am 10. Mai 2021 verließ OSIRIS-REx Bennu [ 22 ] [ 23 ] und brachte die Probe am 24. September 2023 zur Erde zurück. [ 24 ] Anschließend begann die Sonde ihre erweiterte Mission zur Erforschung des Apophis-Asteroiden 99942 , wo sie im April 2029 eintreffen wird.

Bennu wurde als Studienobjekt ausgewählt, da er eine Art „ Zeitkapsel “ aus der Entstehungszeit des Sonnensystems darstellt . [ 25 ] Bennu besitzt eine sehr dunkle Oberfläche und gehört zur Klasse der B-Asteroiden , einer Untergruppe der kohlenstoffhaltigen C-Asteroiden . Solche Asteroiden gelten als primitiv, da sie seit ihrer Entstehung nur geringe geologische Veränderungen erfahren haben. Bennu wurde insbesondere aufgrund des Vorkommens von ursprünglichem kohlenstoffhaltigem Material ausgewählt, einem Schlüsselelement organischer Moleküle, das für Leben notwendig ist und gleichzeitig repräsentativ für Materie aus der Zeit vor der Entstehung der Erde ist. Organische Moleküle wie Aminosäuren wurden bereits in Meteoriten- und Kometenproben gefunden, was darauf hindeutet, dass einige für Leben notwendige Bausteine ​​im Weltraum auf natürliche Weise synthetisiert werden können. [ 1 ]

Die Kosten der OSIRIS-REx-Mission belaufen sich auf etwa 800 Millionen US-Dollar [ 26 ] , ohne die Kosten der Atlas-V -Trägerrakete, die etwa 183,5 Millionen US-Dollar kostet [ 27 ] . Die erweiterte Mission OSIRIS-APEX verursacht zusätzliche Kosten von 200 Millionen US-Dollar [ 16 ] . Sie ist nach Juno und New Horizons die dritte planetenwissenschaftliche Mission des New-Frontiers-Programms . Projektleiter ist Dante Lauretta [ 28 ] von der University of Arizona , der die Leitung 2011 übernahm, nachdem der ursprüngliche Projektleiter Michael Julian Drake vier Monate nach der Genehmigung der Mission durch die NASA verstorben war.

OSIRIS-REx war die erste US-amerikanische Raumsonde, die Proben von einem Asteroiden zur Erde zurückbrachte. Zu den vorherigen Asteroidenmissionen zählen die japanischen Sonden Hayabusa , die 2005 den Asteroiden 25143 Itokawa besuchte [ 29 ] , und Hayabusa2 , die im Juni 2018 den Asteroiden 162173 Ryugu besuchte .

Mission

Die Gesamtleitung, die technische Planung und die Navigation der OSIRIS-Missionen liegen beim Goddard Space Flight Center der NASA , während das Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona die wissenschaftlichen Hauptoperationen durchführt. Lockheed Martin Space Systems baute das Raumfahrzeug und ist für den Missionsbetrieb verantwortlich. [ 2 ] Das Wissenschaftsteam setzt sich aus Mitgliedern aus den Vereinigten Staaten, Kanada, Frankreich, Deutschland, Großbritannien und Italien zusammen. [ 30 ]

Nach einer etwa zweijährigen Reise erreichte die Raumsonde im Dezember 2018 den Asteroiden 101955 Bennu [ 31 ] und begann mit der 505-tägigen Kartierung seiner Oberfläche aus einer Entfernung von etwa 5 km [ 1]. Anhand der Ergebnisse dieser Kartierung wählte das Missionsteam die Stelle aus, an der eine Probe von mindestens 60 g Oberflächenmaterial entnommen werden sollte [32 ] . Anschließend erfolgte eine Annäherung (ohne Landung), um den Roboterarm zum Aufnehmen der Probe auszufahren [ 33 ] .

Nach der erfolgreichen Materialentnahme (121,6 Gramm [11]) wurde die Probe in einer 46 kg schweren Kapsel zur Erde zurückgebracht. Diese Kapsel ähnelte derjenigen, die die Proben des Kometen 81P/Wild mit der Raumsonde Stardust transportiert hatte . Der Rückflug zur Erde war kürzer als der Hinflug. Die Kapsel landete am 24. September 2023 per Fallschirm auf dem Testgelände Utah Test and Training Range und wurde zur Weiterverarbeitung in eine spezielle Forschungseinrichtung des Johnson Space Center gebracht. [ 1 ]

  • Asteroid Bennu, aufgenommen von der OSIRIS-REx-Sonde, 3. Dezember 2018
    Asteroid Bennu , abgebildet von der OSIRIS-REx-Sonde, 3. Dezember 2018
  • OSIRIS-REx-Missionsübersichtsvideo
  • OSIRIS-REx-Start

Start

Der Start erfolgte am 8. September 2016 um 23:05 UTC mit einer Atlas V 411 der United Launch Alliance vom Startkomplex 41 der Cape Canaveral - Oberstation . [ 3 ] Die Rakete vom Typ 411 besteht aus einer ersten Stufe mit RD-180- Triebwerken, einem einzelnen Feststoffbooster vom Typ AJ-60A und einer Centaur- Oberstufe . [ 34 ] OSIRIS-REx trennte sich 55 Minuten nach der Zündung von der Trägerrakete. [ 2 ] Der Start wurde vom wissenschaftlichen Leiter der Mission als „absolut perfekt“ bezeichnet ; es traten weder vor noch während des Starts Anomalien auf. [ 35 ]

Kreuzfahrtphase

OSIRIS-REx trat kurz nach der Trennung von der Trägerrakete in die Reisephase ein, nachdem die Solarpaneele erfolgreich entfaltet, das Antriebssystem in Betrieb genommen und eine Kommunikationsverbindung zur Erde hergestellt worden war. [ 35 ] Die hyperbolische Fluchtgeschwindigkeit von der Erde betrug etwa 5,41 km/s (3,36 mi/s). [ 36 ] Am 28. Dezember 2016 führte die Raumsonde erfolgreich ihr erstes Tiefraummanöver durch, um ihre Geschwindigkeit mithilfe von 354 kg Treibstoff um 431 m/s (1.550 km/h) zu ändern. [ 37 ] [ 38 ] Ein zusätzliches, kleineres Zünden der Triebwerke am 18. Januar 2017 optimierte den Kurs für einen Swing-by-Manöver an der Erde am 22. September 2017. [ 37 ] Die Reisephase dauerte bis zur Begegnung mit Bennu im Dezember 2018, [ 31 ] woraufhin die wissenschaftliche Phase und die Probenentnahme begannen. [ 37 ]

Während ihrer Reisephase suchte OSIRIS-REx nach einer Klasse erdnaher Objekte, den sogenannten Erde-Trojanern, als sie den Lagrange-Punkt L4 des Sonne-Erde-Systems passierte . Zwischen dem 9. und 20. Februar 2017 nutzte das OSIRIS-REx-Team die MapCam-Kamera der Raumsonde, um nach diesen Objekten zu suchen und erstellte täglich etwa 135 Bilder, die anschließend von Wissenschaftlern der Universität von Arizona ausgewertet wurden. Die Suche war hilfreich, obwohl keine neuen Trojaner gefunden wurden [ 39 ] , da sie der Vorgehensweise bei der Annäherung der Raumsonde an Bennu ähnelte, wo nach natürlichen Satelliten und anderen potenziellen Gefahren gesucht wurde. [ 38 ] [ 40 ] Am 12. Februar 2017 gelang es dem PolyCam-Instrument an Bord von OSIRIS-REx, aus einer Entfernung von 673 × 10 6  km (418 × 10 6  mi) zum Jupiter erfolgreich Bilder des Riesenplaneten und dreier seiner Monde, Callisto , Io und Ganymed, aufzunehmen . [ 41 ]^^

OSIRIS-REx flog am 22. September 2017 an der Erde vorbei. [ 42 ]

Ankunft und Erkundung

Am 3. Dezember 2018 bestätigte die NASA, dass OSIRIS-REx die Geschwindigkeit und Umlaufbahn von Bennu in einer Entfernung von etwa 19 km erreicht und den Asteroiden damit angesteuert hatte. OSIRIS-REx führte im Dezember weitere, zunächst in etwa 6,5 ​​km Entfernung, nähere Vorbeiflüge an der Oberfläche von Bennu durch, um dessen Form und Umlaufbahn genauer zu bestimmen. Vorläufige spektroskopische Untersuchungen der Asteroidenoberfläche durch die Raumsonde OSIRIS-REx wiesen das Vorhandensein hydratisierter Mineralien in Form von Ton nach. Obwohl Forscher vermuten, dass Bennu zu klein war, um Wasser zu enthalten, könnten die Hydroxylgruppen von Wasser stammen, das im Mutterkörper vor der Abspaltung von Bennu vorhanden war. [ 43 ] [ 44 ]

OSIRIS-REx trat am 31. Dezember 2018 in eine Umlaufbahn um Bennu in etwa 1,75 km Höhe ein, um ihre umfangreiche Kartierungs- und Messkampagne zur Auswahl eines Probenentnahmeorts zu beginnen. Dies ist die geringste Entfernung, die je ein Raumfahrzeug zu einem Himmelskörper zurückgelegt hat – geringer als die Umlaufbahn der Rosetta um den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko in 7 km Höhe. [ 17 ] [ 45 ] In dieser Höhe benötigte die Sonde 62 Stunden für einen Umlauf um Bennu. [ 46 ] Nach Abschluss ihrer detaillierten Untersuchung wechselte die Sonde in eine engere Umlaufbahn mit einem Radius von 1 km. [ 47 ]

Animation von OSIRIS-REx
Rund um die Sonne
Um 101955 Bennu
Landung auf Bennu
Landung auf der Erde
  OSIRIS-REx  ·  101955 Bennu  ·  Erde  ·  Sonne

Probenentnahme

Künstlerische Darstellung des TAGSAM-Instruments im Betrieb

Verfahren

Vor der eigentlichen Probenentnahme wurden Proben durchgeführt, bei denen die Solarpaneele in eine Y-förmige Konfiguration gebracht wurden, um die Staubansammlung beim Aufprall zu minimieren und im Falle eines Kippens des Raumfahrzeugs (bis zu 45°) während des Aufpralls mehr Bodenfreiheit zu gewährleisten. [ 30 ] Der Abstieg erfolgte sehr langsam, um die Triebwerkszündungen vor dem Aufprall zu minimieren und so die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination der Asteroidenoberfläche durch nicht umgesetztes Hydrazintreibstoff zu verringern . Am 20. Oktober 2020 wurde der Aufprall auf die Oberfläche von Bennu mithilfe von Beschleunigungsmessern erfasst, und die Aufprallkraft wurde durch eine Feder im TAGSAM-Arm abgefangen. [ 48 ]

Beim Oberflächenkontakt mit dem TAGSAM-Instrument wurde ein Stickstoffstoß freigesetzt , um Regolithpartikel mit einer Größe von weniger als 2 cm (0,8 Zoll) in den Probenkopf am Ende des Roboterarms zu blasen . Ein Fünf-Sekunden-Timer begrenzte die Sammelzeit, um die Kollisionsgefahr zu minimieren, und die Sonde führte anschließend ein Rückwärtsmanöver durch, um sich sicher zu entfernen. [ 30 ]

Der Plan sah vor, dass OSIRIS-REx einige Tage später ein Bremsmanöver durchführen sollte, um die Abdrift vom Asteroiden zu stoppen, falls eine Rückkehr für einen weiteren Probenentnahmeversuch erforderlich sein sollte. Anschließend sollten Bilder des TAGSAM-Kopfes aufgenommen werden, um die erfolgreiche Probenentnahme zu bestätigen. Falls eine Probe entnommen wurde, würde sich die Raumsonde um die kurze Achse des Probenarms drehen, um die Probenmasse durch Messung des Trägheitsimpulses zu bestimmen und festzustellen, ob sie die erforderlichen 60 g (2,1 oz) überschritt.

Sowohl das Brems- als auch das Rotationsmanöver wurden abgebrochen, nachdem Bilder des Probenbehälters deutlich zeigten, dass ein großer Materialüberschuss gesammelt worden war. Ein Teil davon war durch die Versiegelung des Behälters entwichen, da Material den Mechanismus blockiert hatte. Das gesammelte Material sollte umgehend in der Probenrückführkapsel verstaut werden. [ 49 ] [ 30 ] Am 28. Oktober 2020 wurde der Probenkopf in der Rückführkapsel befestigt. Nach der Trennung des Kopfes vom Sammelarm wurde der Arm in seine Startposition zurückgezogen, und der Deckel der Probenrückführkapsel wurde geschlossen und verriegelt, um die Rückkehr zur Erde vorzubereiten. [ 50 ] [ 51 ]

Zusätzlich zum Mechanismus zur Probenahme des Gesamtvolumens sammelten Kontaktflächen am Ende des Probenahmekopfes, die aus winzigen Edelstahlschlaufen ( Klettverschluss ) [ 52 ] bestanden , passiv Staubkörner kleiner als1 mm .

Betrieb

Die letzten vier Kandidaten für Probenentnahmestellen
Die erfolgreiche Probenentnahme im Oktober 2020 zeigt die Landung von OSIRIS-REx auf dem Probenentnahmepunkt Nightingale.
Probenentnahme, aufgenommen von der Navigationskamera (00:47; 20. Oktober 2020)
Bilder des TAGSAM-Kopfes zeigen, dass er mit Gestein und Staub gefüllt ist, die von Bennu gesammelt wurden, und dass Material ins Weltall austritt.
OSIRIS-REx hat im Oktober 2020 erfolgreich seine Probe des Asteroiden Bennu verstaut.
Der Probenbehälter wird geschlossen.

Die NASA wählte im August 2019 die vier finalen Kandidaten für Probenentnahmestellen aus: Nightingale, Kingfisher, Osprey und Sandpiper. [ 53 ] Am 12. Dezember 2019 gab sie bekannt, dass Nightingale als primäre und Osprey als Ausweichstelle ausgewählt wurde. [ 54 ] Beide befinden sich in Kratern, wobei Nightingale in der Nähe des Nordpols von Bennu und Osprey in Äquatornähe liegt. [ 55 ]

Die NASA plante die erste Probenentnahme Ende August 2020. [ 56 ] Die ursprünglich geplante Touch-and-Go-Probenentnahme (TAG) war für den 25. August 2020 angesetzt, wurde aber auf den 20. Oktober 2020 um 22:13 UTC verschoben. [ 57 ] [ 58 ] Am 15. April 2020 wurde die erste Generalprobe für die Probenentnahme am Nightingale-Probenstandort erfolgreich durchgeführt. Dabei näherte sich OSIRIS-REx der Oberfläche bis auf 65 m, bevor ein Bremsmanöver eingeleitet wurde. [ 59 ] [ 60 ] Eine zweite Generalprobe wurde am 11. August 2020 erfolgreich abgeschlossen, bei der sich OSIRIS-REx bis auf 40 m an die Oberfläche heranwagte. Dies war die letzte Generalprobe vor der für den 20. Oktober 2020 um 22:13 UTC geplanten Probenentnahme. [ 61 ] [ 62 ]

Am 20. Oktober 2020 um 22:13 UTC landete OSIRIS-REx erfolgreich auf Bennu in einer Entfernung von 320 Millionen Kilometern (200 Millionen Meilen) von der Erde. [ 63 ] [ 64 ] Die NASA bestätigte anhand von während der Probenentnahme aufgenommenen Bildern den erfolgreichen Kontakt. Die Raumsonde landete innerhalb von 92 cm (36 Zoll) vom Zielort. [ 65 ] [ 66 ] Nach der Landung sammelte OSIRIS-REx eine Probe des Asteroiden mit einem geschätzten Gewicht von mindestens 57 Gramm (2 Unzen). [ 18 ] Nach der Bildgebung des TAGSAM-Kopfes kam die NASA zu dem Schluss, dass sich Gesteinsbrocken in der Mylar-Folie, die die Probe im Inneren halten sollte, verklemmt hatten und dadurch langsam ins All entwichen waren. [ 67 ] Um weiteren Probenverlust durch die Klappen zu verhindern, sagte die NASA das zuvor geplante Rotationsmanöver zur Bestimmung der Probenmasse sowie ein Navigationsbremsmanöver ab und entschied sich, die Probe am 27. Oktober 2020 anstatt wie ursprünglich geplant am 2. November 2020 zu verstauen. Die Verstauung verlief erfolgreich. Der Sammelkopf schwebte über der Probenrückführkapsel (SRC), nachdem der TAGSAM-Arm ihn in die richtige Position für die Aufnahme gebracht hatte. Anschließend wurde der Sammelkopf am Fangring der SRC befestigt. [ 67 ]

Nachdem der Probenkopf am 28. Oktober 2020 in den Fangring der Probenrückführkapsel eingesetzt worden war, führte die Raumsonde einen „Rückfahrtest“ durch, bei dem der TAGSAM-Arm aus der Kapsel zurückgefahren wurde. Dieses Manöver dient dazu, am Probenkopf zu ziehen und sicherzustellen, dass die Verriegelungen, die den Probenkopf fixieren, fest sitzen. Im Anschluss an den Test erhielt das Missionsteam Telemetriedaten, die die korrekte Befestigung des Probenkopfes in der Probenrückführkapsel bestätigten. Daraufhin wurden am 28. Oktober 2020 zwei mechanische Teile des TAGSAM-Arms getrennt: der Schlauch, der während der Probenentnahme das Stickstoffgas zum TAGSAM-Kopf leitete, und der TAGSAM-Arm selbst. In den folgenden Stunden wies das Missionsteam die Raumsonde an, den Schlauch, der die Probe während der Probenentnahme durch den TAGSAM-Kopf wirbelte, zu durchtrennen und den Probenkopf vom TAGSAM-Arm zu trennen. Nachdem das Team die Durchführung dieser Arbeiten bestätigt hatte, gab es dem Raumschiff am 28. Oktober 2020 den Befehl, die Probenrückführkapsel (SRC) zu schließen und zu versiegeln – der letzte Schritt beim Verstauen der Bennu-Proben. [ 68 ] Zum Versiegeln der SRC schloss das Raumschiff den Deckel und sicherte anschließend zwei interne Verriegelungen. Bei der Auswertung der Bilder wurde festgestellt, dass während des Verstauvorgangs einige Partikel aus dem Sammelkopf ausgetreten waren. Es wurde jedoch bestätigt, dass keine Partikel den Verstauvorgang beeinträchtigen würden, da das Team zuversichtlich war, dass sich noch ausreichend Material im Sammelkopf befand – mehr als die benötigten 60 g (2,1 oz), nämlich 121,6 g (4,29 oz). [ 11 ] Die Bennu-Probe war sicher verstaut und bereit für ihre Reise zur Erde. Da der Sammelkopf nun sicher in der SRC eingeschlossen war, konnten keine Probenteile mehr verloren gehen. [ 69 ]

Musterrückgabe

Zwei Mitglieder des Bergungsteams untersuchen die Rückkehrkapsel nach der Landung.
Nahaufnahme der Rückkehrkapsel nach der Landung
Voraussichtlicher Landeplatz der Rückkehrkapsel in Utah

Am 7. April 2021 absolvierte OSIRIS-REx ihren letzten Vorbeiflug an Bennu und entfernte sich anschließend vom Asteroiden. [ 70 ] Am 10. Mai 2021 verließ die Raumsonde die Umgebung von Bennu und trat ihre zweijährige Reise zur Erde mit der Asteroidenprobe an. [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]

Am 24. September 2023 um 4:42 Uhr MDT ( Mountain Daylight Time) trennte die Raumsonde in einer Entfernung von 101.000 Kilometern (63.000 Meilen) von der Erde die Probenrückführkapsel ab, die mit einer Geschwindigkeit von 44.500 km/h (27.650 Meilen pro Stunde) in die Atmosphäre eintrat. [ 74 ] Aufgrund eines Verkabelungsfehlers öffnete sich der Bremsfallschirm nicht wie geplant in 30.400 Metern (100.000 Fuß) Höhe. [ 75 ] Der Hauptfallschirm wurde jedoch ausgelöst, als die Raumsonde eine Höhe von etwa 2.700 Metern (9.000 Fuß) erreicht hatte, und überstand die Öffnung trotz der höheren als erwarteten Geschwindigkeit. [ 75 ] Gegen 8:52 Uhr MDT landete die Kapsel mit einer Geschwindigkeit von 18 km/h (11 mph) auf dem Testgelände in Utah , eine Minute früher als vorhergesagt. [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] Das Hauptraumschiff manövrierte auf eine von der Erde wegführende Flugbahn für seine erweiterte Mission zum Apophis im Jahr 2029 mit dem Namen OSIRIS-APEX. [ 78 ]

Um 10:15 Uhr MDT wurde die Kapsel per Hubschrauber vom Landeplatz abtransportiert. Die Probe wird im Astromaterials Research and Exploration Science Directorate (ARES) der NASA und im japanischen Extraterrestrial Sample Curation Center analysiert . [ 77 ] [ 79 ] Anfragen nach Asteroidenproben werden von ARES geprüft und an Organisationen weltweit weitergeleitet. [ 23 ]

Am 11. Oktober 2023 wurde die geborgene Kapsel geöffnet, um einen ersten Blick auf den Inhalt der Asteroidenprobe zu ermöglichen. [ 12 ] Weitere Untersuchungen wurden am 13. Dezember 2023 durchgeführt und enthüllten organische Moleküle und unbekannte Materialien, deren Zusammensetzung noch untersucht werden muss. [ 80 ] [ 81 ]

Beschädigte Befestigungselemente verhinderten ein sofortiges Öffnen, doch nach drei Monaten, am 13. Januar 2024, meldete die NASA die vollständige Öffnung des geborgenen Behälters. [ 82 ] [ 83 ] Insgesamt wurden 121,6 g (4,29 oz) Asteroidenmaterial aus dem Probenbehälter geborgen. [ 11 ] [ 84 ]

Die Proben wurden Wissenschaftlern weltweit ab dem 1. April 2024 auf Anfrage für Forschungszwecke zur Verfügung gestellt. [ 85 ] Am 15. Mai 2024 wurde ein Überblick über vorläufige Analysen der zurückgebrachten Proben veröffentlicht. [ 86 ] Im Januar 2025 gab die NASA bekannt, dass die Proben zwar keine Hinweise auf Leben enthielten, ihre Zusammensetzung jedoch darauf hindeutet, dass die für die Entstehung von Leben notwendigen Bedingungen im frühen Sonnensystem wahrscheinlich weit verbreitet waren. [ 87 ] Die Menge an Ammoniak, einer flüchtigen Substanz, in den Proben deutet darauf hin, dass Bennu aus den kälteren, äußeren Regionen des Weltraums stammt. [ 87 ]

Im Januar 2025 wurde berichtet, dass in Proben, die von Bennu zurückgebracht wurden, eine Vielzahl kohlenstoff- und stickstoffreicher organischer Verbindungen identifiziert wurde. Darunter befanden sich 14 der 20 Aminosäuren, aus denen Proteine ​​terrestrischer Organismen bestehen, sowie alle vier Nukleobasen (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin), die die essentiellen Bausteine ​​von DNA und RNA sind. Die Proben enthielten ein nahezu gleichmäßiges Verhältnis von linksdrehenden (L) und rechtsdrehenden (D) Aminosäuren, was die Frage aufwirft, ob Asteroiden wie Bennu die Biochemie der Erde mitgeprägt haben. [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]

Erweiterte Mission OSIRIS-APEX

Am 25. April 2022 bestätigte die NASA die Verlängerung der Mission. Nach dem Absetzen der Probe auf der Erde am 24. September 2023 erhielt die Mission den Namen OSIRIS-APEX (Apophis Explorer). [ 78 ] Wie der neue Name bereits andeutet, ist ihr nächstes Ziel der erdnahe Asteroid (und potenziell gefährliche Himmelskörper ) 99942 Apophis . Apophis wird am 13. April 2029 die Erde in extrem geringer Entfernung passieren. Es besteht jedoch keine Einschlaggefahr während dieses oder zukünftiger Vorbeiflüge. Die Beobachtungen von Apophis beginnen am 8. April 2029, und wenige Tage später, am 21. April, ist das Rendezvous von OSIRIS-APEX mit dem Asteroiden geplant. [ 91 ] OSIRIS-APEX wird Apophis etwa 18 Monate lang in einer ähnlichen Umlaufbahn wie Bennu umkreisen. Die Raumsonde wird ein Manöver durchführen, ähnlich der Probenentnahme bei Bennu, indem sie mit ihren Triebwerken die Oberfläche von Apophis aufwühlt, um den Untergrund und das darunter liegende Material freizulegen und spektral zu untersuchen. [ 16 ] Die Mission, deren Einstellung ursprünglich mit dem Haushalt für das Fiskaljahr 2026 geplant war, konnte gerettet werden, nachdem die Abgeordneten die Weiterfinanzierung des Projekts in den Gesetzentwurf aufgenommen hatten.

Animation von OSIRIS-APEX
Rund um die Sonne
Etwa 99942 Apophis
  OSIRIS-APEX  ·   99942 Apophis  ·  Erde  ·  Sonne

Name

OSIRIS-REx und OSIRIS-APEX sind Akronyme, und jeder Buchstabe bzw. jede Buchstabenkombination bezieht sich auf einen Teil der jeweiligen Projekte: [ 92 ]

  • O – Ursprünge
  • SI – Spektralinterpretation
  • RI – Ressourcenidentifizierung
  • S – Sicherheit
  • REx – Regolith-Erkundung
  • APEX – Apophis Explorer

Jedes dieser Wörter steht für einen Aspekt dieser Mission. [ 92 ] Das „S“ für Sicherheit (Security) bedeutet beispielsweise den Schutz der Erde vor Einschlägen gefährlicher erdnaher Objekte (NEOs). [ 92 ] Konkret bezieht es sich auf ein besseres Verständnis des Jarkowski-Effekts , der die Flugbahnen von Himmelskörpern beeinflussen kann. [ 92 ] „Regolith Explorer“ bedeutet, dass die Mission die Textur, Morphologie, Geochemie und spektralen Eigenschaften des Regoliths des Asteroiden Bennu untersuchen wird, während „Apophis Explorer“ die Erforschung des Asteroiden Apophis bezeichnet. [ 92 ]

Als das Konzept für das kulturelle Erbe im Rahmen des Discovery-Programms im Jahr 2004 vorgestellt wurde , hieß es lediglich OSIRIS, wobei REx für „Regolith Explorer“ beschreibend und nicht als Teil des Namens verwendet wurde. [ 93 ]

Der Missionsname selbst war eine Anspielung auf den Gott Osiris . Dante Lauretta, stellvertretender Projektleiter der Mission, wurde vom Projektleiter Michael Drake als „Mythologie-Fan“ bezeichnet: „Er kritzelte auf einem Notizblock herum und versuchte, die Hauptthemen unserer Mission festzuhalten – die Erforschung des Ursprungs des Lebens, die Identifizierung von Ressourcen und die planetare Sicherheit durch Asteroidenabwehr – und dabei wurde ihm klar, dass er auf den Namen Osiris gekommen war, eines altägyptischen Gottes, der möglicherweise einer der ersten Pharaonen war.“ [ 94 ] [ 95 ] Ähnlich wie Osiris in der Mythologie der Menschheit den Ackerbau lehrte und so Zivilisation und Leben nach Ägypten brachte, zielt OSIRIS-REx darauf ab, Proben von einem Asteroiden zur Erde zu bringen, die organische Substanzen enthalten könnten, die zum Ursprung des Lebens auf der Erde geführt haben. [ 96 ] Rex ist das lateinische Wort für König und verweist darauf, dass Osiris ein mythischer König Ägyptens war.

Der Asteroid Bennu ist nach dem mythologischen Vogel aus der altägyptischen Mythologie benannt , der mit der Sonne und der Entstehung des Kosmos in Verbindung gebracht wurde. Der Asteroid der zweiten Mission hingegen trägt den Namen des altägyptischen Gottes Apophis , der mit Chaos und Zerstörung assoziiert wurde. [ 97 ] Sowohl Bennu als auch Apophis sind, genau wie OSIRIS-REx, nach Figuren der ägyptischen Mythologie benannt.

Wissenschaftliche Ziele

Infografik zur Probenrückgabekapsel

Die wissenschaftlichen Ziele der Mission sind: [ 98 ]

  • Bringen Sie eine Probe unberührten kohlenstoffhaltigen Asteroidenregoliths in ausreichender Menge zurück und analysieren Sie diese, um die Art, Geschichte und Verteilung seiner mineralischen Bestandteile und organischen Verbindungen zu untersuchen.
  • Kartieren Sie die globalen Eigenschaften, die chemische Zusammensetzung und die Mineralogie eines primitiven kohlenstoffhaltigen Asteroiden, um seine geologische und dynamische Geschichte zu charakterisieren und einen Kontext für die zurückgebrachten Proben zu schaffen.
  • Dokumentieren Sie die Textur, Morphologie, Geochemie und spektralen Eigenschaften des Regoliths am Probenahmeort in situ im Millimeterbereich.
  • Messen Sie den Jarkowski-Effekt (eine thermische Kraft auf das Objekt) auf einen potenziell gefährlichen Asteroiden und grenzen Sie die Asteroideneigenschaften ein, die zu diesem Effekt beitragen.
  • Charakterisieren Sie die integrierten globalen Eigenschaften eines primitiven kohlenstoffhaltigen Asteroiden, um einen direkten Vergleich mit bodengebundenen Teleskopdaten der gesamten Asteroidenpopulation zu ermöglichen.

Teleskopische Beobachtungen haben dazu beigetragen, die Umlaufbahn von 101955 Bennu , einem erdnahen Objekt (NEO) mit einem mittleren Durchmesser von 480 bis 511 m, genauer zu bestimmen. [ 99 ] Bennu umkreist die Sonne alle 436,604 Tage (1,2 Jahre). Alle sechs Jahre kommt er der Erde dabei nahe. Obwohl die Umlaufbahn bereits recht gut bekannt ist, arbeiten Wissenschaftler weiterhin an ihrer Verfeinerung. Die Kenntnis der Bennu-Umlaufbahn ist von entscheidender Bedeutung, da jüngste Berechnungen eine kumulative Wahrscheinlichkeit von 1 zu 1410 (oder 0,071 %) für einen Einschlag auf der Erde zwischen 2169 und 2199 ergeben haben. [ 100 ] Eines der Missionsziele ist es, das Verständnis nicht-gravitativer Effekte (wie des Jarkowski-Effekts ) auf diese Umlaufbahn und deren Auswirkungen auf die Kollisionswahrscheinlichkeit von Bennu zu verbessern. Die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften von Bennu ist für zukünftige Wissenschaftler von entscheidender Bedeutung, um Missionen zur Vermeidung von Asteroideneinschlägen zu entwickeln . [ 101 ]

Spezifikationen

3D-Modell von OSIRIS-REx
OSIRIS-REx Instrumentendeck
  • Abmessungen: Länge 2,4 m (7 Fuß 10 Zoll), Breite 2,4 m (7 Fuß 10 Zoll), Höhe 3,15 m (10,3 Fuß) [ 2 ]
  • Breite mit installierten Solarzellen : 6,17 m (20,2 ft) [ 2 ]
  • Energieversorgung: Zwei Solarzellen erzeugen je nach Entfernung des Raumfahrzeugs von der Sonne 1226 bis 3000 Watt. Die Energie wird in Lithium-Ionen-Batterien gespeichert . [ 2 ]
  • Antriebssystem: Basierend auf einem Hydrazin- Monotreibstoffsystem, das für den Mars Reconnaissance Orbiter entwickelt wurde und 1.230 kg Treibstoff und Helium mitführt. [ 102 ]
  • Die Probenrückführkapsel trat mit einem Fallschirm in die Erdatmosphäre ein. Die Kapsel mit den darin enthaltenen Proben wurde von der Erdoberfläche geborgen und wird, wie bereits bei der Stardust -Mission, untersucht.

Instrumente

Zusätzlich zu seiner Telekommunikationsausrüstung führt das Raumschiff eine Reihe von Instrumenten mit, um den Asteroiden in verschiedenen Wellenlängen abzubilden und zu analysieren [ 103 ] und eine physische Probe zur Rückführung zur Erde zu entnehmen. Die Planetary Society koordinierte eine Kampagne, um Interessierte einzuladen, ihre Namen oder Kunstwerke auf dem „Spirit of Exploration“ der Mission auf einem im Raumschiff mitgeführten Mikrochip verewigen zu lassen. [ 104 ]

OCAMS

Bildgebungskamerasystem

Die OSIRIS-REx-Kamerasuite (OCAMS) besteht aus der PolyCam, der MapCam und der SamCam. [ 103 ] Zusammen liefern sie Informationen über den Asteroiden Bennu durch globale Kartierung, Erkundung und Charakterisierung von Probenentnahmestellen, hochauflösende Bilder und Aufzeichnungen der Probenentnahme. [ 105 ]

  • PolyCam, ein 20 cm (7,9 Zoll) großes Teleskop, erfasste beim Annähern an den Asteroiden Bilder im sichtbaren Licht mit zunehmend höherer Auflösung sowie hochauflösende Oberflächenbilder aus dem Orbit.
  • MapCam sucht nach Satelliten und Ausgasungsfahnen. Es kartiert den Asteroiden in vier Kanälen (blau, grün, rot und nahinfrarot) und liefert Informationen für das Modell der Form von Bennu sowie hochauflösende Bilder potenzieller Probenentnahmestellen.
  • SamCam dokumentiert kontinuierlich die Probenentnahme.

OVIRS

OVIRS

Das OSIRIS-REx-Spektrometer für sichtbares und infrarotes Licht (OVIRS) kartiert Mineralien und organische Substanzen auf der Oberfläche des Asteroiden. [ 103 ] Es liefert spektrale Daten der gesamten Asteroidenscheibe mit einer Auflösung von 20 m. Der Spektralbereich erstreckt sich von Blau bis Nahinfrarot ( 400–4300 nm) und die spektrale Auflösung liegt zwischen 7,5 und 22 nm . [ 106 ] Diese Daten wurden zusammen mit OTES-Spektren verwendet, um die Auswahl der Probenentnahmestellen zu steuern. Die Spektralbereiche und das Auflösungsvermögen sind ausreichend, um Oberflächenkarten von Karbonaten , Silikaten , Sulfaten , Oxiden , adsorbiertem Wasser und einer Vielzahl organischer Verbindungen zu erstellen .

OTES

OTES

Das OSIRIS-REx-Thermalemissionsspektrometer (OTES) liefert thermische Emissionsspektralkarten und lokale Spektralinformationen potenzieller Probenstandorte im thermischen Infrarotbereich von 4–50 μm, um mineralische und organische Substanzen zu kartieren. [ 103 ] Der Wellenlängenbereich , die spektrale Auflösung und die radiometrische Leistungsfähigkeit sind ausreichend, um Silikate, Karbonate, Sulfate, Phosphate, Oxide und Hydroxide aufzulösen und zu identifizieren. OTES wird außerdem zur Messung der gesamten thermischen Emission von Bennu eingesetzt, um die Anforderung der globalen Messung der emittierten Strahlung zu erfüllen.

Aufbauend auf den Leistungen von Mini-TES in der staubigen Oberflächenumgebung des Mars wurde OTES so konzipiert, dass es gegenüber extremer Staubkontamination der optischen Elemente resistent ist.

REXIS

Das Regolith-Röntgenbildspektrometer (REXIS) erstellte eine Röntgenspektroskopiekarte von Bennu zur Kartierung der Elementhäufigkeiten. [ 103 ] REXIS war ein Gemeinschaftsprojekt von vier Gruppen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Harvard University , an dem potenziell über 100 Studierende beteiligt waren. REXIS basierte auf bereits im Weltraum eingesetzter Hardware, wodurch technische, terminliche und Kostenrisiken minimiert wurden. [ 107 ]

REXIS ist ein Röntgenteleskop mit codierter Apertur für weiche Röntgenstrahlung (0,3–7,5 keV), das Röntgenfluoreszenzlinienemissionen abbildet. Diese entstehen durch die Absorption von solarer Röntgenstrahlung und des Sonnenwinds durch Elemente im Regolith von Bennu und führen zu lokalen Röntgenemissionen. Die Bilder wurden mit einer Auflösung von 21 Bogenminuten (4,3 m räumliche Auflösung in 700 m Entfernung) erzeugt. Die Bildgebung erfolgte durch Korrelation des detektierten Röntgenbildes mit einer zufälligen Maske aus 64 × 64 Elementen (1,536 mm Pixelgröße). REXIS speicherte Daten für jedes Röntgenereignis, um die Datenspeicherung zu optimieren und das Risiko zu minimieren. Die Pixel wurden in 64 × 64 Bins adressiert, und der Bereich von 0,3–7,5 keV wurde durch fünf Breitband- und elf Schmalbandlinien abgedeckt. Um die Rotation von Bennu zu berücksichtigen, wurde den Ereignisdaten ein Zeitstempel mit einer Auflösung von 24 Sekunden hinzugefügt. Die Bilder wurden nach der Übertragung der Ereignisliste am Boden rekonstruiert. Gleichzeitig wurden Bilder in 16 Energiebändern erzeugt, die auf die dominanten Linien häufiger Oberflächenelemente von OK (0,5 keV) bis Fe-Kβ (7 keV) sowie das repräsentative Kontinuum zentriert waren. Während der Orbitalphase 5B, einer 21-tägigen Umlaufbahn in 700 m Entfernung von der Oberfläche von Bennu, wurden insgesamt mindestens 133 Ereignisse pro Asteroidenpixel und Energieband unterhalb von 2 keV erwartet; ausreichend, um signifikante Einschränkungen der Elementhäufigkeiten auf Skalen größer als 10 m zu erhalten.

Am 11. November 2019 entdeckten Studenten und Forscher, die an der Mission beteiligt waren, während der Beobachtung des Asteroiden mit REXIS unerwartet einen Röntgenausbruch von einem Schwarzen Loch namens MAXI J0637-430, das 30.000 Lichtjahre entfernt liegt. [ 108 ]

OLA

Der OSIRIS-REx Laser-Altimeter (OLA) ist ein Scanning- und Lidar- Instrument, das während der gesamten Mission hochauflösende topografische Daten liefert. [ 103 ] Die von OLA erfassten Daten ermöglichen die Erstellung globaler topografischer Karten von Bennu, lokaler Karten potenzieller Probenentnahmestellen, Entfernungsmessungen zur Unterstützung anderer Instrumente sowie Navigations- und Gravitationsanalysen.

OLA scannt die Oberfläche von Bennu in festgelegten Intervallen, um die gesamte Oberfläche des Asteroiden schnell zu kartieren und so sein Hauptziel zu erreichen: die Erstellung lokaler und globaler topografischer Karten. Die von OLA gesammelten Daten werden außerdem genutzt, um ein Kontrollnetzwerk relativ zum Massenschwerpunkt des Asteroiden zu entwickeln und Gravitationsstudien von Bennu zu verbessern und zu verfeinern.

OLA verfügt über einen gemeinsamen Empfänger und zwei komplementäre Sendereinheiten, die die Auflösung der empfangenen Informationen verbessern. Der Hochenergie-Lasersender von OLA dient der Entfernungsmessung und Kartierung im Bereich von 1 bis 7,5 km. Der Niederenergie-Sender wird für die Entfernungsmessung und Bildgebung im Bereich von 0,5 bis 1 km eingesetzt. Die Wiederholrate dieser Sender bestimmt die Datenerfassungsrate von OLA. Laserpulse beider Sender werden auf einen beweglichen Scanspiegel gerichtet, der mit dem Sichtfeld des Empfängerteleskops ausgerichtet ist, um die Auswirkungen der Hintergrundstrahlung der Sonne zu minimieren. Jeder Puls liefert Zielentfernung, Azimut, Elevation, Empfangsintensität und einen Zeitstempel.

OLA wurde von der kanadischen Raumfahrtagentur (CSA) finanziert und von MDA in Brampton , Ontario , Kanada , gebaut . [ 109 ] OLA wurde am 17. November 2015 zur Integration in das Raumschiff geliefert. [ 110 ] Der leitende Instrumentenwissenschaftler von OLA ist Michael Daly von der York University . [ 111 ]

TAGSAM

TAGSAM-Arm-Test vor dem Start

Das Probenrückführungssystem, genannt Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism (TAGSAM), besteht aus einem Probenahmekopf mit einem 3,35 m langen, beweglichen Arm. [ 2 ] [ 103 ] Eine integrierte Stickstoffquelle ermöglicht bis zu drei separate Probenahmen, um insgesamt mindestens 60 g Probe zu gewinnen. Die Oberflächenkontaktflächen sammeln auch feinkörniges Material.

Zu den wichtigsten Aspekten des TAGSAM-Instruments und der zugehörigen Technik gehören:

  • Relative Annäherungsgeschwindigkeit von 10 cm/s (3,9 in/s) [ 112 ]
  • Kontakt innerhalb von 25 m (82 Fuß) vom ausgewählten Standort
  • OCAMS-Dokumente tasten mit 1 Hz ab
  • Die Probenentnahme erfolgt in weniger als fünf Sekunden: Ein direkter, ringförmiger Stickstoffstrahl (N₂ ) fluidisiert das Regolith, ein Oberflächenkontaktkissen nimmt die Oberflächenprobe auf.
  • Überprüfung der Massenprobenentnahme mittels Trägheitsänderung des Raumfahrzeugs; Oberflächenprobenahme mittels bildgebendem Probenkopf
  • Der Probenkopf wurde in einer Probenrückführkapsel verstaut und zur Erde zurückgebracht.

Zusammenarbeit mit JAXA

Hayabusa2 ist eine ähnliche Mission der japanischen Raumfahrtagentur JAXA zur Probenentnahme vom erdnahen Asteroiden 162173 Ryugu . Die Sonde erreichte den Asteroiden im Juni 2018, verließ ihn im November 2019 nach zwei erfolgreichen Probenentnahmen und kehrte im Dezember 2020 zur Erde zurück. Die Bergungskapsel von Hayabusa2 trat planmäßig am 5. Dezember 2020 in die Erdatmosphäre ein und landete in Australien. Die Probeninhalte, einschließlich des Wassergehalts, sollten umfassend analysiert werden, um Aufschluss über die Entstehung des Asteroiden zu geben. Das Hauptmodul von Hayabusa2 führt derzeit ein Swing-by-Manöver durch, um es bis 2031 zu seinem nächsten Ziel, dem Asteroiden 1998KY26, zu steuern. Da die beiden Missionen ähnlich waren und sich zeitlich überschnitten (OSIRIS-REx befand sich noch in der Rückkehrphase), unterzeichneten NASA und JAXA ein Abkommen zur Zusammenarbeit beim Probenaustausch und in der Forschung. [ 113 ] [ 114 ] Die beiden Teams besuchten einander: Vertreter der JAXA besuchten das OSIRIS-REx Science Operations Center an der Universität von Arizona , und Mitglieder des OSIRIS-REx-Teams reisten nach Japan, um sich mit dem Hayabusa2-Team zu treffen. [ 115 ] [ 116 ] Die Teams tauschen Software, Daten und Analysemethoden aus und werden schließlich Teile der zur Erde zurückgebrachten Proben austauschen. [ 117 ] [ 118 ]

OSIRIS-REx II

OSIRIS-REx II war ein Missionskonzept aus dem Jahr 2012, das die ursprüngliche Raumsonde für eine Doppelmission replizieren sollte. Das zweite Raumfahrzeug sollte Proben von den beiden Marsmonden Phobos und Deimos sammeln . Diese Mission galt als schnellste und kostengünstigste Methode, um Proben von den Monden zu gewinnen. Mars I und II sind nun die Ziele einer anderen, von JAXA geleiteten Mission namens MMX , deren Start für 2026 geplant ist. [ 119 ] [ 120 ] [ 121 ]

  • Kommentierte Tour zu den markantesten Oberflächenmerkmalen von Bennu, aufgenommen von OSIRIS-REx
  • Auswirkungen der OSIRIS-REx-Probenahme auf Bennu
  • Erste Bilder des Asteroiden Bennu (August 2018)
    Erste Bilder des Asteroiden Bennu (August 2018)
  • Asteroid Bennu aus 330 km Entfernung (29. Oktober 2018)
    Asteroid Bennu aus 330 km Entfernung (29. Oktober 2018)
  • Erde-Mond (unten links) und Asteroid Bennu (oben rechts) (Dezember 2018)[122]
    Erde-Mond (unten links) und Asteroid Bennu (oben rechts) (Dezember 2018) [ 122 ]
  • Die Probenrückführkapsel (SRC) mit dem Asteroiden Bennu im Hintergrund (Dezember 2019)
    Die Probenrückführkapsel (SRC) mit dem Asteroiden Bennu im Hintergrund (Dezember 2019)
  • Die Probenahmestelle „Nightingale“, abgebildet vor und nach der Probenahme.
    Die Probenahmestelle „Nightingale“, abgebildet vor und nach der Probenahme.
  • Die geöffnete Rückkapsel
    Die geöffnete Rückkapsel
  • Ein Muster wird im Raumfahrtzentrum Houston ausgestellt.
    Ein Muster wird im Raumfahrtzentrum Houston ausgestellt .

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Ursprünge, Spektralinterpretation, Ressourcenidentifizierung, Sicherheit, Regolith-Erkundung

Referenzen

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