Yutu in Schwierigkeiten

Der am 14. Dezember auf dem Mond ausgesetzte chinesische Rover Yutu („Jadehase“) ist derzeit nicht mehr ansprechbar. Yutu wurde von der Sonde Chang’e 3 zum Mond befördert und sollte dort u. a. den Boden auf seine Dichte und verwertbare Bestandteile hin analysieren. Erste Ergebnisse liegen bereits vor. So hat zum Beispiel das Lunar Ultraviolet Telescope (LUT) schon einige aufschlussreiche Aufnahmen des Sternenhimmels gemacht und das CE-3 Lunar-Penetrating Radar lieferte erste Analysen der Bodendichte. Auch das Active Particle-induced X-ray Spectrometer (APXS) kam bereits zum Einsatz und sandte Daten zur chemischen Zusammensetzung des Bodens zurück zur Erde. [1] In 2017 wollen Yutus Betreiber den Rover 2017 samt der entnommenen Proben wieder zur Erde zurück holen.

Bereits Ende Januar hatte es Probleme bei der Koordination der Solarpaneele, des Kamera-Mastes und der Antenne gegeben. Der Rover sollte sich für die unmittelbar bevorstehende, ca. 14 Erdtage dauernde Mondnacht so positionieren, dass ein Solarpaneel am darauffolgenden Morgen auf die aufgehende Sonne ausgerichtet ist. Den Mast und die Antenne hingegen sollte er einfahren und das zweite Solarpaneel wie einen isolierenden Deckel darüber klappen. Auf diese Art können die Geräte im Inneren auf einer betriebsfreundlichen Temperatur gehalten werden. Das ist nötig, damit die Elektronik keinen Schaden nimmt, denn die Nächte auf dem Mond sind nicht nur lang, sondern mit bis zu -180°C auch sehr kalt.

Vor der ersten Nacht, Ende Dezember 2013, hatte die gesamte Prozedur gut funktioniert; der Rover überstand die Ruhephase unbeschadet. Diesmal jedoch kam offenbar die Reihenfolge durcheinander, so dass die Geräte des Rovers nicht im vorgesehenen Maß vor der Kälte geschützt waren. Als Folge dieser Fehlfunktion war zunächst die Farbkamera nicht mehr einsetzbar, aber auch die Kommunikation lief nicht mehr ganz reibungslos. Der Rover war jedoch vor Beginn seiner zweiten Ruhephase noch ansprechbar, und die Kontrollteams hofften, die Probleme doch noch rechtzeitig beseitigt zu haben.

Der heutige Versuch, zu Yutu wieder Kontakt aufzunehmen, scheiterte hingegen bisher. Yutu antwortete zunächst stundenlang gar nicht und reagiert seitdem nur minimal auf die Befehle der irdischen Kontrollteams. Es ist leider anzunehmen, dass die Elektronik während der gerade vergangenen Mondnacht tatsächlich größeren Schaden genommen hat, und offiziell gilt der Rover derzeit als verloren. Sollte dies der Fall sein, wäre der Verlust für Chinas Mondprogramm und die Wissenschaft allgemein natürlich enorm. Noch besteht allerdings etwas Hoffnung, die Funktions- und Kommunikationsfähigkeit wenigstens teilweise wieder herzustellen.

Update 13. Februar 2014

Pei Zhaoyu, der Sprecher des chinesischen Mondprogramms, gab heute bekannt, dass der Rover nicht mehr als verloren gilt, sondern evtl. noch gerettet werden kann. Der Rover empfängt bzw. sendet Signale.

Nicht klar ist hingegen, inwieweit der Rover doch Schäden an Mechanik und Elektronik davongetragen hat. Es ist zwar möglich, dass er mit zunehmender Wärme einige (mit viel Glück sogar alle) seiner Funktionen wieder aufnimmt. Dennoch besteht die Gefahr, dass vieles nicht mehr funktioniert. Angesichts der Tatsache, dass in 14 Tagen bereits die nächste Mondnacht beginnt und sich die Probleme wiederholen könnten, stehen die Chancen nicht gut, dass der Rover noch über einen längeren Zeitraum weiter einsatzfähig bleiben wird.

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[1] „Chang’e-3’s Progress and Achievement“ http://www.oosa.unvienna.org/pdf/pres/stsc2014/tech-08E.pdf

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Chang’e-3 – China auf dem Weg zum Mond

Hintergrund:

Seit Apollo 17 bzw. Luna 24 war niemand mehr dort, doch als dritte Nation der Welt nach den USA und Russland strebt nun mit der Sonde Chang’e-3* auch China eine Mondlandung an. Zwar unbemannt, aber immerhin die erste überhaupt seit 37 Jahren. Vorausgegangen waren ihr die Orbiter Chang’e-1 und Chang’e-2 im Oktober 2007 bzw. Oktober 2010, die den Mond umkreisten und von denen Chang’e 1* letztendlich geplant auf ihm aufschlug. Deren Messungen bereiteten den nun gestarteten dritten und vor allem spannendsten Teil der Mission vor. In diesem Blogeintrag möchte ich dessen Fortschritte (oder ggf. auch Misserfolge) gerne sukzessive dokumentieren.

Was genau wollen die Chinesen bzw. ihre Sonde aber auf dem Mond? Zum einen möchten sie seine Oberfläche kartographieren, und zwar in 3D. Das lässt auf die bisher genauesten Ergebnisse hoffen. Zum anderen wollen sie die Dichte des Bodens messen und ihn auf möglicherweise nutzbare Bestandteile untersuchen.

Hierfür wird der Rover „Yutu“, zu Deutsch „Jadehase“ **, Bodenproben entnehmen und außerdem die dortigen Umweltbedingungen wie z. B. Sonnenwind etc. genauer untersuchen. Für 2017 ist eine Rückkehrmission geplant, die die entnommenen Proben zurück zur Erde transportiert.

Yutu ist ein solargetriebenes Mini-Forschungslabor mit sechs Rädern, einer Maximalgeschwindigkeit von 200 m/h und der Fähigkeit, Steigungen von bis zu 30% zu bewältigen. Das Fahrzeug wiegt ca. 140 Kilogramm. Zu Yutus Messgeräten gehören unter anderem auch ein Infrarot-Teleskop und diverse Kameras. Die Forscher versprechen sich hiervon besonders klare Bilder diverser Himmelskörper, da der Mond keine Atmosphäre hat.

Chronologie:

01. Dezember 2013
Die (netto) 1,2 Tonnen schwere Sonde Chang’e-3 ist mit Hilfe einer Rakete vom Typ „ChangZheng 3B“ vom Weltraumbahnhof Xichang im Südwesten Chinas erfolgreich gestartet.

Die Trennung der Raketenstufen erfolgte ohne Zwischenfall. Chang’e-3 wird voraussichtlich ca. fünf Tage nach dem Start den Mond erreichen und nach insgesamt 14 Tagen auf ihm landen.

Update 04. Dezember 2013
Teile der abgesprengten Raketenstufen haben in China die Häuser zweier Landwirte beschädigt.

Update 06. Dezember 2013
Chang’e-3 ist um ca. 11:00 MEZ auf 100 km Höhe in die Mondumlaufbahn eingeschwenkt und kartographiert ab jetzt die Mondoberfläche. Die Landung erfolgt voraussichtlich am 14. Dezember 2013.

Update 14. Dezember 2013
Chang’e-3 ist bei 19.51° West, 44.12° Nord wie vorgesehen auf der Mondoberfläche gelandet:

Auch das Ausfahren der Solarpanele funktionierte einwandfrei. Einige Stunden später setzte die Sonde auf Anweisung aus Peking den Rover „Yutu“ auf der Oberfläche aus:

Update 12. Februar 2014

Der Rover steckt nach der langen Mondnacht in Schwierigkeiten.

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* Benannt nach der chinesischen Mondgöttin
** Benannt nach dem Haustier der chinesischen Mondgöttin, einem weißen Hasen. Die Chinesische Raumfahrtbehörde CNSA hatte für die Namensfindung einen öffentlichen Aufruf gestartet und nach eigener Aussage über 53.000 Vorschläge erhalten.

(Wird fortgesetzt)

Da waren’s plötzlich zwei.

Vor einigen Tagen schloss der Kinderkanal seine „Logo“-Nachrichten mit den Worten: „…, dass die Chinesen vielleicht auch irgendwann ihre eigene Raumstation haben werden.

Erstaunlicherweise ausgerechnet am Ende des Berichts über die chinesische Astronautin Wang Yaping, die jüngst ihre erste Unterrichtsstunde aus dem Orbit erteilte. Und zwar – das hätten die Redakteure eigentlich wissen oder anhand des Videos bemerken müssen – aus eben dieser, sich angeblich doch noch in Planung befindlichen Station:




Von „vielleicht irgendwann“ kann nämlich gar keine Rede sein; die ISS ist nicht mehr allein dort oben. Ihr chinesisches Pendant bzw. dessen erster Teil „Tiangong 1“ ist zwar mit bisher nur einem Modul noch klein, aber dennoch längst Realität. Es befindet sich seit dem 29. September 2011 im Orbit, in einer durchschnittlichen Höhe von ca. 350 km, mit einem Neigungswinkel von 42 Grad.

China hat somit die „Fortschrittslücke“ zu den USA, Russland und Europa in erstaunlich kurzer Zeit geschlossen:

  • Die Planung für die Raumstation begann 1999.
  • Ein erstes Konzept wurde im Jahr 2000 auf der Weltausstellung in Hannover vorgestellt. Damals war noch geplant, schlicht mehrere Shenzhou Shuttles im All zu einer Station zu verbinden.
  • 2003 beförderte die CNSA mit Yang Liwei ihren ersten eigenen Taikonauten überhaupt ins All.
  • Zu Neujahr 2009 stellte die Agentur schließlich das aktuelle Konzept für das Tiangong-Modul vor.

Mit dem urspünglich gezeigten Entwurf hat Tiangong-1 nur noch gemeinsam, dass eines der Shenzhou-Shuttles nach dem Andocken als Habitat-Ergänzung bzw. Schlafplatz für einen der derzeit drei Taikonauten an Bord genutzt wird. Das Modul erinnert ansonsten mittlerweile stark an ein optimiertes Soyuz-Raumfahrzeug.

Tiangong-1

Tiangong-1; Bild: CNSA/NASA
Klick für ein Bild mit weiteren Infos

Tiangong-1 ist 10,5 Meter lang, hat einen Durchmesser von 3,35 Metern und wiegt ca. 8.500 Kilogramm. Trotz seiner geringen Größe enthält es jedoch alles, was ein Astro… pardon: Taikonaut benötigt – von Klimatisierung und Kleidung über Sportgeräte bis hin zur Ausstattung für die medizinische Beobachtung und Versorgung.

Tiangongs Nutzlast dient unter anderem der Erforschung der Ionosphäre, energetischer Sonnenpartikel und des Kristallwachstums unter Schwerelosigkeit. An der Außenwand befinden sich darüber hinaus Instrumente zur Erdbeobachtung in verschiedenen Spektralbändern.

Aller Voraussicht nach wird Tiangong-1 in 2013 und 2016 durch jeweils größere Module ersetzt werden. Bis 2020 will China seine Station dergestalt ausweiten, dass sie die ungefähren Ausmaße des damaligen Skylab der NASA erreicht.

Bisher besteht für die NASA ein Kooperationsverbot mit China und seiner Raumfahrtbehörde. Angesichts der Tatsache, dass für die Zukunft recht ehrgeizige und kostenintensive Projekte wie bemannte Marsflüge ins Visier genommen wurden, denen eine finanzielle und wissenschaftliche Beteiligung möglichst vieler Länder gut tun würde, steht dieses Verbot jedoch zunehmend in der Kritik. Ich halte es nicht für ausgeschlossen, dass in nicht allzu ferner Zukunft ein Austausch zwischen den Nationen stattfinden wird, um den Ressourceneinsatz zu optimieren. Eine wissenschaftliche Kooperation zwischen den beiden Raumstationen wäre in dieser Hinsicht vielleicht ein guter Anfang.

Kurz & Knapp – KW 12/2013

Unter der Rubrik „Kurz & Knapp“ finden sich ab sofort Hinweise und Links auf Meldungen und Webseiten, die mir nebenbei auffallen, aber auf die Schnelle keinen eigenen Blogeintrag hier erhalten. Sei es, weil mir die Zeit fehlt, sei es, weil sie am besten für sich selbst stehen oder das Thema Raumfahrt eher am Rande betreffen:

  • NASAS interaktiver Trajectory Browser
    „Welcome to the Trajectory Browser website hosted at the NASA Ames Research Center. We provide a search engine, visualizer and mission summaries for designing trajectories to planets and small-bodies.“

  • What I’ve Learned from NASA
    Kerry Ellis, Redakteurin bei NASAs ASK Magazine berichtet über ihre Erfahrungen mit den Teams der NASA und was sie aus ihrer Arbeit dort gelernt hat – beruflich und auch persönlich.

  • Mission Mars
    Neue Entdeckungen auf dem Roten Planeten

  • Messenger beendet die erste Missionsverlängerung
    Was ist „Messenger“, warum gab es eine Missionsverlängerung und was passiert nun?

  • Ein Spion bei der NASA?
    „The FBI said Tuesday it is actively investigating a Chinese man arrested Saturday with a one-way ticket out of U.S. — a scientist potentially carrying highly confidential military secrets and rocket technology from NASA labs.“

  • Astrobiology
    Was ist Astrobiologie und wozu ist sie gut? Ein Comic. (englisch)


  • Soon-to-Be Flyers Speak About Space Station Mission

    „NASA astronaut Karen Nyberg, European Space Agency astronaut Luca Parmitano, and cosmonaut Fyodor Yurchikhin of the Russian Federal Space Agency preview their upcoming Expedition 36/37 mission to the International Space Station scheduled to launch on May 28.“

    Pflanzen als Teil des Lebenserhaltungssystems an Bord

    Mit zunehmender Länge der bemannten Missionen stehen Raumfahrer vor neuen Problemen. Interplanetare Flüge oder längere Aufenthalte in Raumstationen erfordern z.B. die Wiederaufbereitung von Luft und Wasser. Aber auch die Nahrungsmittelfrage ist nicht unerheblich, denn Proviant für über 500 Tage (die voraussichtliche Flugdauer einer bemannten Marsmission) würde in den meisten Fällen die zur Verfügung stehenden Kapazitäten sprengen.

    Zumindest für diese drei Problemstellungen bieten sich Pflanzen als Lösung an. Sie können nicht nur Sauerstoff herstellen, Kohlendioxid abbauen und sogenanntes Grauwasser wiederaufbereiten, sondern auch als Nahrungsmittel dienen. Überdies haben Pflanzen auf die Besatzung von Raumfahrzeugen auch einen stimmungsaufhellenden Effekt. Prinzipiell sind sie also die perfekte Ergänzung zum Lebewesen Mensch.

    Quelle: NASA

    Quelle: NASA

    Ganz aktuell, nämlich seit dem 1. März 2013, läuft auf der ISS hierzu wieder einmal eine Reihe von Experimenten in Kooperation zwischen ESA und NASA (siehe auch => hier und hier), weshalb ich diesem wichtigen Thema auch einen eigenen Blogeintrag widme.

    An Bord eines Raumfahrzeuges muss die Pflanze insgesamt eine beachtliche Anzahl von Bedingungen erfüllen:

    Sie sollte schnell wachsen. Möglichst viele ihrer Bestandteile sollten essbar sein, sie sollten nicht zu hoch werden und widerstandsfähig sein gegen Krankheitsbefall. Darüber hinaus sollten sie jedoch auch mit relativ wenig Licht auskommen (wobei LEDs hier zunehmend für Abhilfe sorgen) und sich auch in der Schwerelosigkeit leicht in mehreren Generationen anbauen lassen.

    Technik

    Quelle: NASA

    Adhäsion: Der Wassertropfen hält sich auf dem Blatt. Die Gasblase in der Mitte steigt aufgrund der Schwerelosigkeit nicht nach oben auf. Bildquelle: NASA

    Genau hier lauern allerdings bereits weitere Schwierigkeiten. Ganz banal kann es in der Schwerelosigkeit zum Beispiel passieren, dass das Wasser, mit dem man eine Pflanze gießt, durch die Adhäsionskraft bedingt an deren Stengel hängen oder auf dem Substrat liegen bleibt, statt im Boden zu versickern. Man braucht also ein Substrat, das durch die Größe und Gleichmäßigkeit der Körnung diesen Effekt ausgleicht und das Wasser durch Kapillarkräfte nach unten zu den Wurzeln „saugt“. Gröbere Körnung würde die Wurzeln nicht versorgen, feinere Körung würde keine Luft mehr an dieselben lassen. Die optimale Größe liegt lt. Aussagen der NASA bei 1 bis 2 Millimeter; das entspricht in etwa feinerem Aquarienkies. Hieraus ergibt sich übrigens eine zusätzliche Bedingung: Die Pflanze darf bzgl. der Bodenbeschaffenheit nicht zu empfindlich sein.

    Betrachtet man die Summe der Anforderungen, kommen bei weitem nicht alle Pflanzen für den Anbau im All in Frage. Experimentiert wird bisher mit bestimmten Sorten von Weizen, Tomaten, Spinat und einigen anderen Arten. [1]

    Des weiteren muss die Besatzung dafür Sorge tragen, dass der von der Pflanze produzierte Sauerstoff sich in der Umgebung verteilt, statt sich um sie herum zu sammeln und sie somit vom benötigten Kohlendioxid abzuschneiden. Auch dies passiert in der Schwerelosigkeit nicht automatisch, kann jedoch mit einem Ventilator leicht gewährleistet werden.

    Hat man diese rein technischen Herausforderungen überwunden, erwarten den Raumfahrer und seine Pflanzen jedoch noch weitere:

    Wachstum
    „Weiß“ eine Pflanze ohne Schwerkraft beispielsweise, in welche Richtung sie wachsen muss? Kennt sie „Oben und Unten“? Experimente mit der Art Arabidopsis an Bord der ISS haben gezeigt, dass diese Pflanze sich in jenem Punkt durchaus anpassen kann, auch wenn ihre Schwerkraftsensoren ausfallen. Eine geeignete Lichtquelle vorausgesetzt, richten sich die oberirdischen Teile der Pflanzen nach einer gewissen Übergangszeit nach dem Licht und die Wurzeln nach der Feuchtigkeit aus. Interessanterweise verhalten sich die Wurzeln zumindest bei Arabidopsis auch ohne Schwerkraft genauso wie beim Wachstum auf der Erde:

    Skewing and waving, thought to be gravity dependent phenomena, occur in spaceflight plants. In the presence of an orienting light source, phenotypic trends in skewing are gravity independent (…) [2]

    Dies bedeutet allerdings nach weiterer Aussage der Studien-Autoren leider nicht automatisch, dass alle anderen in Frage kommenden Arten oder auch nur alle Abkömmlinge einer einzelnen Art sich unter Schwerelosigkeit ebenso verhalten. Selbst bei sorgfältigster Auswahl und Planung des Anbaus an Bord von Raumfahrzeugen, kann deren Besatzung unliebsame Überraschungen und Rückschläge nicht völlig ausschließen.

    Vermehrung

    Quelle: NASA

    Quelle: NASA

    Zu klären wäre auch die Frage nach den nächsten Generationen. Während die Vermehrung bei Pflanzen, von denen man Stecklinge setzen kann, noch relativ leicht zu bewerkstelligen sein dürfte, gibt es im Fall von geschlechtlicher Fortpflanzung die eine oder andere Besonderheit, die evtl. zum Problem werden könnte. So hat sich zum Beispiel herausgestellt, dass die Pollenschläuche unter Schwerelosigkeit zwar auch in die richtige Richtung wachsen, dabei allerdings um ca. 8% dünner ausfallen als unter normalen Umständen. [3] Dies könnte zu Fehlschlägen bei Befruchtungsversuchen führen und somit zu unerwarteten Ernteausfällen bzw. dem Verlust ganzer Pflanzenarten an Bord. Ein Risiko, das man sich auf längeren Missionen absolut nicht leisten kann. In solchen Fällen wäre zu überlegen, ob man die Schwerkraft an Bord nicht mit Hilfe von Zentrifugen simulieren sollte, was allerdings wiederum den Energieverbrauch und den Platzbedarf steigen ließe.

    Strahlung
    Hat man die Pflanzen erfolgreich befruchtet, stellt sich bald die nächste Frage: Ist die nächste Generation brauchbar, oder hat sie durch die Weltraumstrahlung eventuell genetische Schäden davongetragen? Dass dies nicht auszuschließen ist, hat China jüngst bewiesen. Aus Samen, die dieser Strahlung mit voller Absicht ausgesetzt waren, zogen sie eine neue Generation Pflanzen heran, um aus diesen wiederum diejenigen mit profitablen spontanen Mutationen herauszusuchen und weiter zu züchten. Darunter befanden sich z.B. Salatgurken von enormer Länge. [4]

    Die Mutationsrate derart bestrahlter Pflanzen ist einige hundert Mal so hoch wie auf der Erde. Allerdings produziert sie selbstverständlich bei weitem nicht nur erwünschte bzw. nützliche Mutationen. Zum Teil keimen die so behandelten Samen auch überhaupt nicht mehr, so dass man für Missionen, auf denen man auf Pflanzen angewiesen ist, unbedingt auch über eine bessere Abschirmung nachdenken muss, als eine Raumstation sie derzeit bietet. [5]

    Andererseits haben jüngste Erfahrungen mit Flachs und Soja in radioaktiv verstrahlten Gebieten auf der Erde gezeigt, dass es durchaus auch weitgehend strahlungsresistene Pflanzen gibt, die sich ebenfalls für den Anbau an Bord eignen könnten. [6], [7], [8] Es stellt sich nun die Frage, ob man diese Eigenschaft ggf. auch auf andere Arten übertragen könnte, ohne damit deren Nutzen für die Astronauten zu kompromittieren.

    Fazit
    Angesichts all dieser Problemstellungen ist es derzeit  zumindest riskant, eine länger währende Mission von Pflanzen an Bord abhängig zu machen. Langzeitexperimente wie „Mars-500“ verliefen zwar grundsätzlich vielversprechend, boten aber natürlich nicht die selben Umgebungsbedingungen, da diese nicht komplett simuliert werden konnten. Insbesondere Schwerkraft und Strahlung entsprachen nicht den Gegebenheiten an Bord eines Raumfahrzeugs. Dennoch ist das bisher gewonnene Wissen über das Wachstum von Pflanzen im All auch aktuell und für den Otto-Normal-Verbraucher von Nutzen. Zum Beispiel in der Gentechnik.

    [1] http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/273.html
    [2] http://www.biomedcentral.com/1471-2229/12/232
    [3] http://www.livescience.com/27868-plant-sex-zero-gravity.html
    [4] http://www.spacesafetymagazine.com/2012/09/04/chinese-space-radiation-mutate-food-crops/
    [5] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0273117786900761
    [6] http://www.popsci.com/technology/article/2011-03/plants-survive-radioactive-soils-chernobyl-implications-space-farming,
    [7] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es100895s
    [8] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/pr900034u