BepiColombo ist eine vierteilige Raumsonde, die am 20. Oktober 2018 um 03:45 Uhr (MESZ) zum Merkur startete. BepiColombo ist eine Kooperation zwischen der ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA.
Die Sonde ist nach dem Spitznamen des 1984 verstorbenen italienischen Mathematikers Giuseppe Colombo benannt, der sich um die Merkurerkundung besonders verdient gemacht hatte. Es ist die dritte Mission zum Merkur nach Mariner 10 in den Jahren 1974 und 1975 sowie dem MESSENGER-Orbiter von 2011 bis 2015.
Ein Vorschlag für eine Merkurmission wurde 1993 eingereicht im Rahmen von “Call for Ideas”, daraus wurde später BepiColombo. Die Mission wurde 1996 als Kandidat aufgenommen und 2000 als Cornerstone-Mission in das wissenschaftliche Missionsprogramm Horizon 2000 Plus der ESA aufgenommen. Die Mission sah ursprünglich einen Start mit zwei Orbitern zwischen 2009 und 2010 und drei Jahre Flugzeit mit elektrischem Antrieb und mehreren Gravity-Assists vor. Es sollte auch ein Lander mitfliegen. Im Laufe der Entwicklung wurde schnell klar, dass die Sonde um einiges schwerer wird als im anfänglichen Entwurf. Ein Lander hätte eine zweite Startrakete erfordert und wurde daher 2001 aus Kostengründen gestrichen. Eine Bedingung für die Mission war der erfolgreiche Abschluss der Smart-1 Mission, bei der zum ersten Mal ein Ionenantrieb von der ESA eingesetzt wurde.
In Japan bildete sich 1997 eine Arbeitsgruppe für eine wissenschaftliche Merkurmission. Das Konzept war ein rotierender Merkurorbiter mit chemischem Antrieb und vielen Vorbeiflügen an Venus und Merkur. Bei einem Treffen zwischen den Weltraumagenturen 1999 wurde das Projekt vorgestellt und in der Folge kam es zur Zusammenarbeit und Integration des japanischen Orbiters als Teil von BepiColombo. Dieses Konzept wurde bei der 105. Tagung des ESA-Wissenschaftsprogrammkomitees am 6. November 2003 genehmigt.
Die Auswahl der 16 Instrumente der Nutzlasten wurde 2005 bestätigt. 2008 kam es zu einem herben Rückschlag durch unerwartete negative Testergebnisse für wesentliche Technologien. In der Folge wurde das Projekt um mehrere Jahre verzögert. Es mussten Komponenten neu entwickelt werden und die Massenbudgets wurden überschritten. Das veränderte Design und der Wechsel von einer Sojus-Rakete zu einer Ariane 5 wurde im November 2009 angenommen. Aber auch danach gab es immer wieder Verzögerungen durch unerwartete Testergebnisse.
BepiColombos vielfältige Aufgaben sollen insgesamt eine umfassende Beschreibung von Merkur und Hinweise auf seine Geschichte liefern. Kameras und verschiedene Spektrometer sollen die Oberfläche aus geringer Höhe in verschiedenen Spektralbereichen kartografieren, Höheninformationen ermitteln, sowie die mineralogische und chemische Zusammensetzung der Oberfläche bestimmen und nach Eisablagerungen suchen. Strahlungen, Partikel und Spektren verschiedener Arten und Wellenbereiche sowie das Schwerefeld sollen gemessen werden. Es soll geklärt werden, ob Merkur einen festen oder geschmolzenen Kern hat und die Love-Zahlen sollen ermittelt werden. Die beiden Sonden in koplanarer Anordnung, aber unterschiedlich hohen Umlaufbahnen, sollen gemeinsam die Form, Ausdehnung und Herkunft des Magnetfelds ermitteln. Viele der Instrumente sind ähnlich zu denen auf MESSENGER, somit lassen sich die Daten vergleichen, es gibt aber zusätzliche Instrumente, die auf Messenger nicht vorhanden waren, die neue Ergebnisse versprechen.
Technologische Herausforderungen
Zu den besonderen technologischen Herausforderungen gehören:
Reise und Betrieb in Sonnennähe unter starker Licht-, Wärme- und Partikelstrahlung und unter starker Beschränkung der Startmasse.
Die Notwendigkeit, die kinetische und potenzielle Energie in einer mehrjährigen Reise in Richtung Merkur mit neun Swing-by-Manövern und einem Ionenantrieb effizient abzubauen
Die beschleunigte Alterung der Komponenten
Kühlung und die Abschirmung der Instrumente gegen Streustrahlung spielen eine wichtige Rolle
Die Solarkonstante ist bei der Erde ca. 1361 W/m². Dagegen ist die Sonneneinstrahlung an Merkur zwischen 6290 W/m² im Aphel und bis zu 14 500 W/m² im Perihel, im Mittel 9126,6 W/m², also bis zu ungefähr der zehnfachen Sonneneinstrahlung. Zusätzlich kann die Abstrahlung im Infraroten von der heißen Merkuroberfläche bis zu 13 600 W/m² betragen. 80 % der Technologie und Materialien mussten entweder neu entwickelt oder für den Einsatz unter den Bedingungen von Merkur neu getestet und qualifiziert werden. Der Langzeittest der ursprünglich vorgesehenen Solarpaneele schlug fehl, sodass eine neue Technologie gefunden und wieder getestet werden musste. Dieses verzögerte den Start um mehrere Jahre. Im Ergebnis musste man die Solarpaneele größer und robuster bauen, was das Gewicht und wiederum die notwendige Treibstoffmenge erhöhte und den Einsatz einer Ariane 5 notwendig machte.
Einige der neu entwickelten oder neu qualifizierten Schlüsseltechnologien der Mission waren:
Materialien zur Temperaturkontrolle: Oberflächenbeschichtungen, Klebstoffe, Kunstharze, mehrlagige Isolationsschichten, Schmier- und Gleitmittel, optische Sonnenreflektoren
Ein Design für den Radiator in einer Umgebung mit hoher Infrarotstrahlung
Solarzellen für den Betrieb bei extremer Sonnenbestrahlung und hoher Temperatur, Dioden und Trägermaterialien für die Solarpanele
Hoch- und Mittelgewinnantennen für Einsatz unter hoher Temperatur