Philae ist die erste Raumsonde, die nach zwei Kontakten auf dem Kometen;/Tschurjumow-Gerassimenko landete. Der Lander des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt war mit der Raumsonde Rosetta seit dem 2. März 2004 zum Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko unterwegs und landete auf ihm am 12. November 2014. 67P/Tschurjumow-Gerassimenko ist der erste Komet und der siebte Himmelskörper insgesamt, der von einer gelandeten Raumsonde erforscht wurde.
Wie Rosetta selbst wurde auch ihr Lander nach einem Ort in Ägypten benannt, der eine wichtige Rolle bei der Entzifferung der Hieroglyphen spielte. Philae war eine Nilinsel bei Assuan, die heute vom Stausee der Assuan-Staumauer überflutet ist. In ihrer Tempelanlage wurden im Alten Ägypten die Göttin Isis, der Nil und die Sonne als Lebensspender verehrt. Ein dort gefundener Obelisk, in den die Königsnamen Ptolemäus und Kleopatra zweisprachig eingemeißelt sind, half, ähnlich wie der ebenfalls aus der Ptolemäerzeit stammende, dreisprachig beschriftete Stein von Rosetta, bei der Identifizierung altägyptischer Schriftzeichen.
Ziele und Organisation der Mission
Philae wurde konstruiert zur Untersuchung des Materials von 67P/Tschurjumow-Gerasimenko, der sich zum Zeitpunkt der Landung rund 510 Millionen Kilometer oder 3,4 Astronomische Einheiten von der Erde entfernt zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter befand. Der Komet hat einen Durchmesser von knapp vier Kilometern. Die Ergebnisse sollen zum Verständnis der Entstehung des Sonnensystems beitragen. Dabei geht es unter anderem um die Frage, ob die Erde ihr Wasser und erste Biomoleküle von Kometen erhalten hat.
Verantwortlich für den operationellen Teil der Philae-Mission war das Raumfahrtnutzerzentrum MUSC des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln. Für Philae fielen ungefähr 200 Millionen Euro an Kosten an, also etwa ein Sechstel der Kosten der gesamten Rosetta-Mission.
Der Kometenlander Philae misst etwa 1 m × 1 m × 1 m und ist 100 kg schwer. Das Landegestell hat drei Beine, die jeweils ein Fußpaar mit Eisschraube und Seismometer besitzen. Der Korpus hat zwei Verankerungsharpunen und eine Düse für Anpressschub zur Positionierung, Solarzellen, Antennen, sieben Panoramakameras und eine Bodenkamera, Magnetometer, Stachel zur Analyse der Bodenstruktur, Bohrer zur Probenentnahme und ein Alpha-Röntgenspektrometer eingebaut.
Das Landegestell ist dreibeinig und kardanisch gelagert, es hat dadurch zwei Freiheitsgrade. Ein spezieller Mechanismus zwischen Landegestell und Sonde dient als Dämpfungselement für das Aufsetzmanöver bei der Landung. Er ermöglicht außerdem, die Position des Landers durch Kippen und Drehen zu verändern, und beherbergt die elektrischen Verbindungen zwischen der Sonde und den Sensoren in den Füßen. Das kardanische Element nimmt zusätzliche Dämpfungsfunktionen wahr, indem es die Knickbewegungen im Element abbremst. Die Fixierung am Boden sollte durch drei Eisschrauben, je eine an einem Landegestellfuß, und zwei Harpunen gewährleistet werden.
An Bord des Landers befinden sich zehn Instrumente, die etwa 26,7 kg seiner 100 kg Gesamtmasse ausmachen:
APXS (Alpha Proton X-ray Spectrometer). Bestehend aus einem beweglichen Sensorkopf von 52 mm Durchmesser. APXS analysiert die chemische Zusammensetzung der Kometenoberfläche unterhalb des Landers. Das Instrument ist eine verbesserte Version des APXS des Mars Pathfinders.
COSAC (COmetary SAmpling and Composition). COSAC wird Bodenproben entnehmen und flüchtige Komponenten erfassen.
PTOLEMY wird mit einer Kombination aus Gaschromatograph und Ionenfallen-Massenspektrometer die chemische Zusammensetzung des Kometenmaterials bestimmen, insbesondere die Isotopenverteilung.
CIVA (Comet Nucleus Infrared and Visible Analyzer). CIVA besteht aus einem stereoskopischen Panorama-Kamerasystem, einem Mikroskop im sichtbaren Spektralbereich und einem abbildenden Infrarot-Spektrometer für die vom Bohrer Sample Drill and Distribution (SD2) erbohrten Bodenproben.
ROLIS (Rosetta Lander Imaging System) CCD-Kamera, eingebaut im Boden von Philae, die während des Abstiegs Bilder des Kometen macht. LED-Lichtquellen (Blau, Grün, Rot, Infrarot) erlauben multispektrale Nahaufnahmen (ca. 30 cm) der Kometenoberfläche nach der Landung. Die Kamera funktioniert gleichzeitig als Dateninterface für das CIVA Kamerasystem.
CONSERT (COmet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission). CONSERT wird mit Hilfe der Rosetta-Sonde elektromagnetische Wellenausbreitung durch den Kern messen, um so über die innere Struktur und der Zusammensetzung Rückschlüsse zu ziehen.
MUPUS (MUlti-PUrpose Sensors for Surface and Sub-Surface Science). MUPUS besteht aus mehreren Sensoren: einem Temperatur- und Wärmeleitfähigkeitssensor, der 30 cm in den Kometenboden getrieben wird (PEN), sowie einem Infrarotsensor (Thermal Mapper), der die Temperatur der obersten Kruste misst. Außerdem sind Akzelerometer zur Festigkeitsuntersuchung des Kometenbodens und Temperatursensoren in die beiden Ankerharpunen eingebaut; beim Einschuss in den Untergrund wird aus dem Beschleunigungsverlauf die Festigkeit des Bodens bestimmt, später bestimmt der Temperaturfühler den Temperaturverlauf in tieferen Schichten. MUPUS wird ferner den Temperaturhaushalt des Komentenkerns als Langzeitexperiment verfolgen.
ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor). ROMAP besteht aus einem Fluxgate-Magnetometer, einem Electrostatic Analyzer und einem Faraday-Becher. Das Fluxgate-Magnetometer hat einen Messbereich von ± 2000 nT bei einer Auflösung von 20 pT und einen Frequenzbereich von 0 bis 32 Hz. Mit dem Plasma-Monitor können Ionen mit Energien von bis zu 8000 keV und Elektronen mit Energien von bis zu 4200 keV gemessen werden. Ein zusätzliches Penning-Vakuummeter und ein Pirani-Vakuummeter können zusätzlich Drücke zwischen 10−8 und 10 mbar (1 μPa bis 1 kPa) messen. Das Magnetometer wurde unter Federführung des Instituts für Geophysik und extraterrestrische Physik (IGEP) der TU Braunschweig in Zusammenarbeit mit dem Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz und dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik entwickelt. Am Plasma-Monitor waren das KFKI Budapest, das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und das IKI Moskau beteiligt.
SESAME (Surface Electric Sounding and Acoustic Monitoring Experiment). SESAME besteht aus drei Teilen: CASSE (Cometary Acoustic Surface Sounding Experiment) bestimmt über die Analyse der Schallausbreitung im Kometenboden die Struktur des Materials. DIM (Dust Impact Monitor) misst dreidimensional aufgelöst den Staubfluss in der Umgebung des Landers. PP (Permittivity Probe) sondiert den Untergrund elektrisch.
SD2 (Sampling, drilling and distribution subsystem). SD2 ist der Bohrer, der aus bis zu 20 cm Tiefe Proben für COSAC, CIVA und PTOLEMY bereitstellt. Aus Bohrleistung und Vortriebsgeschwindigkeit können Festigkeitsparameter ermittelt werden, während die Vibrationen durch das Bohren (wie das Einhämmern des MUPUS-PEN) eine Schallquelle für das SESAME-CASSE-Experiment darstellen.