Fachbereich 14 - Geowissenschaften
Institut für Planetologie
Experimentelle Weltraumforschung

MUPUS Ein physikalisches Instrumentenpaket für die
ESA-Kometenmission ROSETTA

Die ESA wird im Jahre 2004 eine Sonde zu einem periodischen Kometen starten, die dort auch eine kleine Landesonde absetzen wird. Eine der zentralen Fragestellungen für die Untersuchungen an der Kometenoberfläche ist die Energiebilanz des Kometen. Sie entscheidet das dynamische Verhalten, die Ausprägung einer Koma und eines Schweifs, die Zusammensetzung der freigesetzten Gase, die Oberflächenerosion durch das Ausgasen und die Ausprägung einer vertikalen Schichtung. Die Energiebilanz läßt sich durch Messungen der Oberflächentemperatur, eines vertikalen Temperaturprofils und der Wärmeleitfähigkeit des oberflächennahen Materials als Funktion der Zeit bestimmen. Die Messung dieser Größen setzt eine vertikal in den Kometenboden eindringende Sonde voraus. Diese Sonde soll neben Temperaturen und thermischen Parametern auch die Festigkeit und die Dichte der durchdrungenen Schichten bestimmen. MUPUS ist als Teil der Nutzlast des ROSETTA Landers ausgewählt worden. Alle für MUPUS anfallenden Entwicklungsarbeiten, Kalibrierung und Dokumentationen, sowie die Planung aller Aktivitäten während der Mission und die Auswertung der gewonnenen Daten werden vom Institut für Planetologie aus koordiniert. Insbesondere die effektive und enge Zusammenarbeit mit anderen beteiligten Instituten ist eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche weitere Arbeit an dem Projekt.

Die Entwicklungsarbeiten des Instruments sind seit Juli 2001 abgeschlossen. Derzeit befindet sich das Flugmuster - integriert in den Lander und Orbiter - in Kouru (Franz. Guyana) und wartet auf den Start. Urpsrünglich sollte die Mission im Januar 2003 starten, aber ein Versagen einer Ariane 5 Rakete im Dezember 2002 führte aus Sicherheitsgründen zu einer Startverschiebung von etwa einem Jahr. Derzeit werden die Prozeduren und Telekommandos für die Aktivitäten nach dem Start ausgearbeitet.

Für das MUPUS Instrument wurden zahlreiche grundlegend neue Lösungen entwickelt. So wurde ein neuartiger Mechanismus konstruiert, der es erlaubt, in der vernachlässigbar kleinen Gravitation des Kometenkerns eine Sonde in das Oberflächenmaterial einzubringen. Auch für die Temperatur- und Wärmeleitfähigkeitssensoren wurde eine neuartige Technologie entwickelt, die es erlaubt, gleichzeitig mit nur einem Bauteil an 16 verschiedenen Stellen Temperaturen zu messen und bei Bedarf auch aktiv zu heizen. Die für die Datenerfassung auf dem Kometen benötigte Elektronik wurde ebenfalls entworfen, gebaut und getestet. Für die auf der Raumsonde zu verwendende Software,die in einer extrem kompakten und sicheren Form vorliegen muss, wurde ebenfalls ein Konzept entwickelt und erste low-level Routinen geschrieben.

Ein wichtiger Teilbereich der Experimententwicklung war das Thermaldesign: da elektronische Bauelemente meist nur innerhalb eines engen, im Weltraum nicht immer gewährleisteten Temperaturbereichs betrieben werden können, muss das Design von Weltraumexperimenten durch geeignete Massnahmen so ausgelegt werden, dass ein "Überleben" der Elektronik sicher gestellt ist. Zu solchen Massnahmen gehören zum Beispiel - je nach Situation - besonders helle oder dunkle Beschichtungen der Aussenflächen, grosse Wärmereservoire zum Abmildern natürlicher Temperaturschwankungen, sowie aktive elektrische Heizungen. Der letztgenannte Fall sollte möglichst vermieden werden, da elektrische Energie meistens sehr knapp und damit kostbar ist. Um den Wärmehaushalt des Experiments zu optimieren, wurde das thermische Verhalten einzelner Baugruppen unter Variation der frei wählbaren Parameter untersucht, um abschliessend Forderungen oder Empfehlungenfür das Design und die Fertigung geben zu können.

Das Verhalten der in den Kometenboden eindringenden Thermalsonde wurde mit numerischen Modellen eingehend studiert. Bereits im vorangehenden Berichtszeitraum wurde erkannt, dass die Anwesenheit einer Sonde zwangsläufig das zu messende Temperaturprofil beeinflusst und somit verfälscht. Zwei unterschiedliche Methoden wurden eingesetzt, um trotz dieser unvermeidbaren Verfälschung aussagekräftige Messdaten zubekommen und diese möglichst geschickt auszuwerten. Zunächst wurde durch die Auswahl von besonders geeigneten Materialien und Abmessungen sicher gestellt, dass die Beeinflussung des Temperaturfelds möglichst gering ausfällt und somit die Qualität der Rohdaten nicht mehr als unvermeidbar leidet. Darüber hinaus wurde ein auf der Inversion von Messdaten basierendes Verfahren entwickelt, dass es erlaubt, aus dem verfälschten, gemessenen Temperaturprofil das unverfälschte, eigentlich angestrebte Profil zu berechnen. Beide Massnahmen haben sich als sehr wirksam und praktikabel erwiesen und können auch für ähnliche Messtechniken in der Geophysik oder bei weiteren zukünftigen Weltraummissionen Gewinn bringend eingesetzt werden.

Viele der im Rahmen des MUPUS Projekts gewonnenen Erkenntnisse sind auf verwandte Anwendungen in der Geothermie oder bei zukünftigen Messungen auf anderen Planeten übertragbar. Für die nächsten Jahre sind verstärkt solche kleinen, preiswerten aber effektiven Missionen mit Penetratoren geplant, und dieser Trend scheint anzuhalten. Hier ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für die Zukunft. Ein erster erfolgreicher Ableger der MUPUS Thermalsonde ist die EXTASE-Sonde, die nun als eigenständiges Projekt im Forschungsbericht des Instituts für Planetologie geführt wird (siehe dort).

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. Tilman Spohn, Dr. Karsten Seiferlin, Dipl. Geophys. Tom Keller

Veröffentlichungen:

Spohn et. al.: MUPUS - Proposal for a suite of instruments to make extended in situphysical measurements at the surface of an evolving comet nucleus. 30pp. Eigenverlag Münster., 1995N.A.: MUPUS: Rosetta Lander Experiment Interface Document REID-B,Eigenverlag, Münster, 1998

Banaszkiewicz, M., K. Seiferlin, T. Spohn, G. Kargl, N. Kömle: A New Method for the Determination of Thermal Conductivityand Thermal Diffusivity from Linear Heat Source Measurements. Rev. Sci. Instrum.68(11), 4184-4190, 1997.

Knollenberg, J., E. Kührt, T. Spohn: MUPUS-TM:IR-measurement of comet p/Wirtanen surface temperature. Annal. Geophys. 16 Suppl.III, C1012, 1998.

Seiferlin, K., Spohn, T., Banaszkiewicz, M., Hagermann, A.and Kossacki, K. J.: Thermal Measurements at the Surface of a Comet Nucleus withMUPUS. Poster 14.10 at Asteroids, Comets, Meteors, Cornell University, Ithaca, 26-30July 1999. Abstract in ACM '99 Abstracts Volume, p. 64.

HAGERMANN, A., T. SPOHN, and K. SEIFERLIN 1999: In Situ Temperature Profile Measurements on a Cometary Nucleus:Difficult, but not Impossible. Asteroids, Comets, Meteors, Cornell University, Ithaca,26-30 July 1999. Abstract in ACM '99 Abstracts Volume

Spohn, T. and Seiferlin, K.: MUPUS: A Thermal Probe for the Rosetta Lander. Poster. 30th Lunar and PlanetaryScience Conference, Houston, 15-19 March 1999.

Banaszkiewicz, M., Seiferlin,K., Grygorczuk, J. and Spohn, T.: The MUPUS Penetrator for the Rosetta Lander. Presentedat the International Workshop on Penetrometry in the Solar System, Graz, 18-20 October1999

Seiferlin, K., Banaszkiewicz, M. Marczewski, M., Gregorchuk, W.,Spohn, T., Kossacki, K., Hagermann, A.: MUPUS as a thermal probe, Presented at theInternational Workshop on Penetrometry in the Solar System, Graz, 18-20 October 1999

Seiferlin, K., Marczewski, W., Spohn, T., Banaszkiewicz, M. and Gregorczyk, W.: A Landmark in Kitchen Science: Measuring the Width of Shadows Cast by Paper Stripes Glued to aWindow, using the MUPUS Penetrator. Presented at the European Geophysical Society,Nice, 25-29 April 2000. Abstract in Geophysical Research Abstracts (on CDROM), 2,PS2., 2000

Spohn, T., Ahrens, T. J., Ball, A. J., Banaszkiewicz, M., Benkhoff,J., Gadomski, S., Gregorczyk, W., Grygorczuk, J., Hagermann, A., Hlond, M., Kargl,G., Knollenberg, J., Kömle, N. I., Kossacki, K. J., Kührt, E., Leliwa-Kopystynski, J., Mann, I., Marczewski, W., Seiferlin, K. and Zarnecki, J. C.: Prospects for CometaryScience with the MUPUS Experiment Package. Presented at COSPAR 2000, Warsaw, 16-23July 2000. Abstract in COSPAR 2000 Abstracts Volume.

Seiferlin, K., Spohn,T. and the MUPUS team, 2003: MUPUS: Performance, Operations and Possible Results.Poster PS023 at the European Geophysical Society, Nice, 21-26 April 2002. AbstractEGS02-A-05322 in Geophys. Res. Abstracts 4

Seiferlin, K., Hagermann, A.,Banaszkiewicz, M. Spohn, T.: Using Penetrators as Thermal Probes, In: Penetrometryin the Solar System, Editors N. I. Kömle, G. Kargl, A.J. Ball, R. D. Lorenz,Verlag der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, 2001

Kömle,N. I., Kargl, G., Seiferlin, K., Marczewski, W., 2002: Measuring Thermo-MechanicalProperties of Cometary Surfaces: In Situ Methods. Earth, Moon and Planets 90(1-4),269-282

Seiferlin, K., T. Spohn and the MUPUS team, 2003: MUPUS: Multi-PurposeSensors for Surface and Subsurface Science, ROSETTA ESA SP-1165, in press

Seiferlin,K., Spohn, T., Benkhoff, J.: Comet ISSI as seen by MUPUS, 2002, Eos Trans. AGU, 83(47),Fall Meet. Suppl., Abstract P11A-0346, 2002