Warum fliegen Raumschiffe nicht direkt ins All? Die Wissenschaft hinter interplanetarischen Routen

Ziel der Europa Clipper-Mission ist es, den Jupiter zu erreichen. Zuvor wird sie jedoch an Mars und Erde vorbeifliegen. Aufgrund der technologischen Grenzen ist es am besten, einen großen Umweg zu machen, bevor man das Ziel erreicht.

Technologische Beschränkungen verhindern, dass Schiffe ihr Ziel von Anfang an ansteuern

Vielleicht haben Sie schon davon gehört, dass Raumschiffe normalerweise nicht direkt zu ihrem Ziel fliegen. Der Start der NASA-Mission Europa Clipper am 14. Oktober hat die Debatte über die Hintergründe interplanetarer Routen neu entfacht.

Dieses Raumschiff wird nicht auf direktem Weg zum Jupiter fliegen: Seine Reise ist sorgfältig choreografiert und umfasst auch Vorbeiflüge an Mars und Erde, bevor es im April 2030 sein Ziel erreicht. Die Antwort liegt in den technologischen Grenzen und einer genialen Nutzung der physikalischen Gesetze: der Schwerkraftunterstützung.

Warum bewegen sich Raumschiffe nicht in einer geraden Linie?

Wenn ein Raumschiff zu weit entfernten Orten wie dem Jupiter reisen soll, wäre es unpraktisch und teuer, den für eine direkte Reise benötigten Treibstoff mitzuführen. Der direkte Start einer Rakete mit ausreichender Leistung würde extrem große Antriebssysteme erfordern.

Die Falcon-Heavy-Rakete, die den Europa Clipper antreibt, ist zwar leistungsstark, kann ihn aber nicht auf einem geraden Weg zum Jupiter schicken. Stattdessen nutzt das Raumschiff die Schwerkraft der nahe gelegenen Planeten, um an Schwung zu gewinnen und Treibstoff zu sparen - eine Technik, die als Gravitationshilfe bekannt ist.

Dieses Konzept wurde auf der Grundlage von Berechnungen von Mathematikern und Ingenieuren wie Juri Kondratjuk, Gaetano Crocco und Michael Minovitch entwickelt. Die Technik wurde erstmals 1959 mit der sowjetischen Sonde Luna 3 eingesetzt und wurde durch Missionen wie Pioneer 10 populär, die in den 1970er Jahren die Schwerkraft des Jupiters nutzte, um das Sonnensystem zu verlassen.

Seitdem sind Schwerkraftunterstützungen für die Navigation im Weltraum von großer Bedeutung und werden von einigen Experten mit einem "planetarischen Billardspiel" verglichen.

So funktionieren interplanetarische Routen

Bei der Schwerkraftunterstützung wird ein Raumfahrzeug in die Nähe eines Planeten gebracht, um dessen Schwerkraft auszunutzen und seine Geschwindigkeit und Flugbahn zu verändern. Diese Methode beschleunigt nicht nur die Missionen, sondern ermöglicht auch Richtungsänderungen, die mit einem herkömmlichen Antrieb unmöglich wären. Jede Flugbahn wird in Abhängigkeit von der Masse des Raumfahrzeugs, seiner Nutzlast und den wissenschaftlichen Zielen der Mission individuell gestaltet.

So wird Europa Clipper 2025 am Mars vorbeifliegen, um Energie zu gewinnen, und 2026 in die Nähe der Erde zurückkehren. Dieser zweite Vorbeiflug wird es dem Raumschiff ermöglichen, die erforderliche Geschwindigkeit zu erreichen, um 2030 den Jupiter zu erreichen. Dort wird es weiterhin Schwerkraftunterstützung nutzen, diesmal jedoch für die Galileischen Monde Europa und Ganymed, um seine Umlaufbahn zu optimieren und die Belastung durch die intensive Strahlung des Planeten zu minimieren.

Optimierung der Flugbahn

Für die Planung dieser Routen sind detaillierte Berechnungen erforderlich, die mit speziellen Tools wie der Copernicus-Software der NASA oder der Space Trajectory Analysis (STA) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) durchgeführt werden. Mit diesen Anwendungen können verschiedene Flugbahnen simuliert werden, wobei die sich im Laufe der Zeit ändernden Positionen von Planeten und Himmelskörpern berücksichtigt werden.

Ein Beispiel ist die ESA-Mission JUICE, die 2023 zum Jupiter starten soll. Obwohl sie vor Europa Clipper gestartet ist, umfasst ihre Route mehrere Schwerkraftunterstützungen, die sie zur Venus, zur Erde und schließlich zum Gasriesen im Jahr 2031 führen werden. Diese Verzögerung zeigt, wie wichtig es ist, jedes Detail der Flugbahn zu optimieren, um den wissenschaftlichen Ertrag zu maximieren und die Kosten zu minimieren.

Die nichtlinearen Bahnen, die Raumfahrzeuge einschlagen, sind ein Beweis für die menschliche Kreativität und den wissenschaftlichen Einfallsreichtum. Diese Manöver optimieren nicht nur die Ressourcen, sondern zeigen auch, wie die Wissenschaft die Herausforderungen des Kosmos meistern kann.

Quellenhinweis:

Negri, R.B., Prado, A.F.B.A. A historical review of the theory of gravity-assists in the pre-spaceflight era. J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 42, 406 (2020). https://doi.org/10.1007/s40430-020-02489-x