Wenn alles klappt, startet am 6. Oktober unter donnerndem Getöse eine Titan-IV Centaur Rakete vom Kennedy Space Center in Houston zum Saturn. Ihr Name ist Programm, denn die Rakete trägt nicht nur die amerikanische Muttersonde Cassini zum Ringplaneten. Huckepack geht auch die europäische Tochtersonde Huygens auf die siebenjährige Reise zum größten Saturn-Trabanten, zum Titan, der als einziger unter den Monden des Sonnensystems eine dichte Atmosphäre besitzt.
Benannt wurde die gut 5,5 Tonnen schwere Muttersonde nach dem italienischen Astronomen Giovanni Domenico Cassini. Er entdeckte im 17. Jahrhundert vier Monde und das prächtige Ringsystem des Saturn. Die nur 330 Kilogramm schwere Tochtersonde trägt den Namen von Christiaan Huygens. Der Forscher hatte 1655 den Saturnmond Titan entdeckt.
Die Route des Raumsonden-Duos führt im April 1998 und Juni 1999 zunächst an der Venus vorbei, wo es durch das Gravitationsfeld der Venus auf einen neuen Kurs gelenkt wird. Die Methode wurde erstmals am 2. Dezember 1974 ausprobiert, als Pioneer-11 in nur 42800 Kilometer Abstand am Jupiter vorbeiflog und zum Saturn katapultiert wurde. Mit dieser Swing-by-Technik soll sich auch das Gespann Cassini-Huygens an der Venus ausreichend Schwung holen, um – nach einem weiteren Swing-by-Abstecher zur Erde – Ende des Jahres 2000 erst Jupiter und am 1. Juli 2004 schließlich Saturn zu erreichen.
Cassini wird den Riesenplaneten, seine Ringe und Monde aus der Umlaufbahn ins Visier nehmen, um chemische Zusammensetzung, Temperaturen, Magnetfelder und den Einfluß des Sonnenwindes näher zu erforschen. Besonderes Augenmerk gilt dem einzigartigen Ringsystem des Planeten. Bei ihrem Anflug auf Saturn hatten die Voyager-Raumsonden entdeckt, daß die von der Erde aus schon mit einem einfachen Teleskop sichtbaren drei breiten Saturnringe in Wahrheit aus einem beinahe lückenlosen Ringsystem bestehen, das im Durchschnitt nur 1,5 Kilometer dick ist. Seine unerwartet komplexe Struktur erstaunt die Wissenschaftler bis heute.
Aus der Nähe betrachtet gleicht es einer Schallplatte mit Tausenden von feinen, unterschiedlich hellen Ringen. Untersuchungen des Spektrums zeigten, daß die hellen Ringe vor allem dichte Ansammlungen winziger Eiskörnchen enthalten, die in den dunkleren Ringen spärlicher auftreten. Wie aber sieht die chemische Zusammensetzung der Teilchen in den einzelnen Ringen aus und was ist ihr Ursprung? Diesen Fragen will ein Forscherteam des NASA Ames Research Center in Moffett Field auf den Grund gehen – mit einem UV-Spektrographen und zwei speziellen Infrarot-Spektrometern an Bord der Muttersonde Cassini.
Völlig aus der Reihe tanzt der äußere, sogenannte F-Ring, den 3400 Kilometer vom Rand der Hauptringe trennen. Nahaufnahmen der Voyager-Sonden offenbarten eine klumpige Struktur. An einigen Stellen des Rings zeigten sich spontan helle Bögen, die aber schon nach wenigen Monaten wieder verschwunden waren und zum Erstaunen der Forscher an anderer Stelle wieder auftauchten. Keine Weltraum-Fata-Morgana, sondern Realität – wie das Hubble-Weltraumteleskop im vorigen Jahr bestätigte.
Die Erscheinung läßt sich nach Meinung der Wissenschaftler nur zum Teil durch die Schwerkraft der Monde erklären, die auch für die Ausbildung speichenartiger Strukturen im Ringsystem verantwortlich gemacht werden. Modellrechnungen zeigen überdies, daß die Ringe des Saturn dynamische Strukturen sind, die eine durchschnittliche Lebensdauer von 100 Millionen Jahren haben dürften.
Fünf Monate nach der Ankunft des Raumsonden-Duos beim Saturn wird es spannend: Huygens wird den Abstieg auf den eisigen und stets von orangefarbenen Wolken verhangenen Saturnmond wagen. Was den irdischen Späher dort erwartet, ist ungewiß. Die Wissenschaftler vermuten sowohl in den Atmosphärenschichten als auch auf Titans minus 180 Grad kalter Oberfläche komplexe organische Verbindungen.
1980 hatte die amerikanische Raumsonde Voyager-1 den Mond bei einem nahen Vorbeiflug erstmals unter die spektroskopische Lupe genommen. Dabei fand sie zahlreiche Kohlenstoff-Verbindungen wie Acetylen, Ethylen, Ethan, Methylacetylen, Propan und Diacetylen.
Große Aufmerksamkeit weckte die Entdeckung von Blausäure, da sie unter bestimmten Umständen Grundlage für die Bildung von Bausteinen des Erbmoleküls DNA sein kann. Seither gilt der tiefgekühlte Saturnmond – genau wie die Kometen, in deren Gas- und Staubschweif ähnliche Verbindungen nachgewiesen wurden – als “Testfall”, an dem sich noch heute die ersten Schritte der biochemischen Evolution des Lebens auf der Urerde studieren lassen könnten.
Neues zu lernen über die Anfänge des Lebens ist das Ziel der exobiologischen Experimente an Bord von Huygens. “Bislang können wir nur raten, welche Verbindungen auf der Erde existierten, bevor die ersten Bakterien entstanden. Bei Titan können wir herausfinden, mit welchen chemischen Prozessen die Sonnenstrahlung in der urtümlichen Atmosphäre für Leben sorgte”, erläutert Franìois Raulin, Koordinator bei der europäischen Weltraumbehörde ESA.
Außerdem hoffen die Forscher, das Rätsel zu lüften, warum von allen Monden des Sonnensystems nur Titan über eine Atmosphäre aus vorwiegend Stickstoff verfügt – ähnlich wie die Erde. Titans Atmosphäre enthält allerdings, im Gegensatz zu unserem Planeten, auch einige Prozent Methan und Argon. Modellrechnungen besagen, daß sich bei der Bildung des Sonnensystems vor rund 4,6 Milliarden Jahren in den kühlen Außenregionen der protoplanetaren Staub- und Gasscheibe große Mengen an molekularem Stickstoff, Methan, Kohlenmonoxid und Argon befunden haben. Diese Bestandteile verbanden sich mit Wassereis und kondensierten aus.
Auf Titan existieren diese Moleküle noch heute in großer Menge. Nach Ansicht vieler Wissenschaftler ist seine Atmosphäre demnach ein unverändertes Überbleibsel des ursprünglichen Materials, aus dem sich einst die Regionen des äußeren Sonnensystems gebildet hatten.
Der Saturn-Mond ist außergewöhnlich leicht, seine mittlere Dichte beträgt nur 1,9 Gramm pro Kubikzentimeter (zum Vergleich: Erde 5,52 g/cm3, Mond 3,34 g/cm3). Vermutlich besteht er zum großen Teil aus Eis. Nur sein Innerstes könnte aus Silikatgestein und zu einem sehr geringen Teil aus Eisen zusammengesetzt sein. Die Entwicklungsgeschichte Titans zu enthüllen ist daher ein weiteres Hauptziel der Huygens-Mission.
Mit insgesamt sechs Experimenten an Bord wird Huygens dem Mond auf den Leib rücken. Für den Abstieg, der am 27. November 2004 geplant ist, wird die diskusförmige Raumsonde durch ein Funksignal aus ihrem siebenjährigen Tiefschlaf geweckt und von der Muttersonde abgetrennt. Während ihres rund zweieinhalbstündigen Abstiegs muß sie auf alle Ereignisse autonom reagieren. Eingriffsmöglichkeiten von der Erde aus gibt es nicht – sie kämen viel zu spät, da Funkwellen bis zum rund 1,6 Milliarden Kilometer fernen Saturn knapp 90 Minuten brauchen.
Der Eintritt in die oberste Titan-Atmosphäre beginnt in 1270 Kilometer Höhe. Mit einer Geschwindigkeit von 25000 Kilometer pro Stunde jagt Huygens – den Hitzeschild voraus – durch die äußeren Schichten und durchstößt die mehrere hundert Kilometer mächtige orangefarbene Dunstschicht. Hier bilden sich Aerosole aus organischen Verbindungen, die langsam zu Boden sinken. Inzwischen haben fast alle Meßinstrumente an Bord zu arbeiten begonnen.
“HASI” – das Kürzel für das multinationale Huygens Atmospheric Structure Instrument – wird ein Temperatur- und Druckprofil der Titan-Atmosphäre aufnehmen. Dazu kommen Messungen von Windgeschwindigkeit, atmosphärischer Leitfähigkeit und die Suche nach Blitzen. Ein amerikanisches Experiment untersucht mit Gas-Chromatograph und Massenspektrometer die chemische Zusammensetzung der Titan-Atmosphäre.
In der Hochatmosphäre hat die Sonde mit mächtigen Winden zu kämpfen. Das deutsche Doppler Wind Experiment (DWE) unter Federführung der Universität Bonn mißt deren Geschwindigkeit und Richtung anhand von Frequenzverschiebungen in den Funksignalen. Die Daten werden an Cassini weitergeleitet, um für die verschiedenen Höhenstufen der Atmosphäre Windprofile ableiten zu können. Während der gesamten Mission dient die im Saturn-Orbit geparkte Muttersonde als Relaisstation, die alle Daten von Huygens aufnimmt und später an die Erde weiterleitet.
Die Reibung der Titan-Atmosphäre bremst die Sonde ab. In 300 Kilometer Höhe hat sie nur noch eine Geschwindigkeit von 18000 Kilometern pro Stunde. Dabei müssen die Keramikkacheln des Schutzschildes ganze Arbeit leisten und mit bis zu 2000 Grad Hitze fertig werden. Mit einem gewaltigen Ruck entfaltet sich der erste von drei Fallschirmen in 180 Kilometer Höhe und bremst Huygens auf 1400 Kilometer pro Stunde ab. Wenig später öffnet sich der große Hauptfallschirm und schließlich noch ein dritter, der für eine stabile Lage der Sonde während des nunmehr sachten Sinkflugs sorgt.
In den dichteren Schichten der Titan-Atmosphäre saugt der Aerosol-Sammler die ersten Proben ein. Über ein Filter wird Material aus der Atmosphäre in einem kleinen Ofen auf 650 Grad erhitzt und mit Hilfe von Massenspektrometer und Gas-Chromatograph genauestens analysiert. In rund 10 Kilometer Höhe taucht die Sonde in die dichten Methanwolken ein – nun dauert es noch etwa eine halbe Stunde bis zur Landung, dem aufregendsten Teil der gesamten Mission. Wird Huygens auf festem Grund aufsetzen, der vielleicht mit einer dicken Schicht aus teerartigen organischen Stoffen überzogenen ist, oder wird die Sonde in einem Ozean aus flüssigen Kohlenwasserstoffen versinken und darin nach wenigen Sekunden zerstört?
Die Wissenschaftler hoffen freilich auf eine gute Landung auf festem Boden. Dann könnte die Multispektralkamera der University of Arizona in Tucson erstmals die fremde Welt fotografieren. Ein von britischen Forschern entwickeltes Experimentierpaket an Bord wird mit Hilfe eines “Penetrators”, der sich in die Oberfläche eingräbt, die Bodenstruktur erkunden.
Vieles spricht dafür, daß Huygens eine bizarre Landschaft auf dem Saturnmond Titan antreffen wird. Einige Wissenschaftler sagen eine feste Kruste aus Wasser- und Ammoniak-Eis voraus, auf der Vulkane und Geysire flüssiges Ammoniak ausspeien, das aus tiefen unterirdischen Reservoiren mit großem Druck an die Oberfläche drängt. Wie es jedoch tatsächlich auf Titan aussieht, wird erst die geglückte Landung von Huygens in sieben Jahren zeigen.
Silvia von der Weiden
