BELA: das BepiColombo Laseraltimeter

BELA: das BepiColombo Laseraltimeter

„Laser Head Box“ (LHB) mit geöffneter Abdeckung der während der Mission hermetisch eingekapselten Optik

Das BepiColombo Laser Altimeter (BELA) ist ausgewählt, an Bord der Raumsonde „Mercury Planetary Orbiter“ (MPO) der BepiColombo Mission der Europäischen Raumfahrtagentur ESA zum Planeten Merkur zu fliegen. Der vorgesehene Starttermin liegt im Jahr 2018. Ab Ende 2025 soll MPO den Merkur in einer Flughöhe von 400 bis 1500 km über der Planetenoberfläche umkreisen. BELA ist das erste europäische Laseraltimetersystem im Weltraum zur Erforschung eines Planeten. Mit BELA soll die statische Topographie des Merkur mit einer Präzision einer Einzelmessung von etwa 1 Meter von MPO aus abgetastet werden. Zwei aufeinanderfolgende Laserflecken entlang der Bodenspur der Raumsonde MPO auf der Merkuroberfläche haben typisch einen Abstand von einigen hundert Metern. Diese Trajektorien von Laserflecken haben einen mittleren Abstand von etwa 26 km nach sukzessiven Umrunden des Merkur durch MPO auf einer nahezu polaren Umlaufbahn. Am Ende der Lebensdauer der Mission werden diese “Ground Tracks” in Äquatornähe um nur noch etwa 3 bis 4 km auseinanderliegen.

Zusätzlich zur statischen Topographie wird die globale Gezeitendeformation der festen Merkuroberfläche durch die Sonnengravitation bestimmt sowie die Libration aufgrund des Drehmoments, den die Sonnengravitation auf die asphärische Massenverteilung des Merkur ausübt.

Geöffnete „Laser Electronics Unit“ (LEU).

BELA wird von einem Konsortium unter der Führung des Physikalischen Instituts der Universität Bern und des DLR Instituts für Planetenforschung in Berlin entwickelt. Der Beitrag unseres Instituts zum BELA Instrument ist der Lasertransmitter, ein aktiv gütegeschalteter, transversal gepumpter Festkörperlaser mit Pulsenergien von mehr als 50 mJ, einer Repetitionsrate von bis zu 10 Hz und einer Laserpulsdauer von einigen Nanosekunden. Dieser Laser wurde basierend auf einer Finanzierung der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DLR) von Cassidian Optronics GmbH (vormals Carl Zeiss Optronics) in Oberkochen, Deutschland, im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsauftrags mit MPS entwickelt.

Wissenschaftliche Ziele

Die mit BELA aufgenommenen Topographiedaten werden dazu verwendet, die Effekte von Oberflächenvariationen in den vom Mercury Orbiter Radio Science Instrument aufgenommenen Gravitationsdaten zu korrigieren. Dies ermöglicht einen Einblick in die innere Struktur von Merkur inklusive lateraler Variationen der Krustendicke und des Radius des Planetenkerns. 

Die BELA Daten unterstützen auch ein digitales Terrainmodell (DTM), das weitgehend auf Daten der Stereokamera SYMBIO-SYS aufgebaut wird. Dieses DTM dient unter vielem anderem zur quantitativen Studie der Oberflächenmorphologie und zur Untersuchung der Rolle des Vulkanismus und der Tektonik auf Merkur. Des Weiteren werden prominente Oberflächen-formationen wie z.B. „Lobate Scarps“ (gelappte Bruchstufen) genau vermessen, um Rückschlüsse auf die Abkühlungsgeschichte von Merkur ziehen zu können.

Zusätzlich zu einer topographischen Karte des Merkur wird das Experiment auch eine Verteilung des Albedo auf der Merkuroberfläche liefern sowie z.B. eine Bestimmung der Oberflächenrauigkeit bei Skalengrößen von 20 Metern in nicht beleuchteten Kratern in den Polgegenden. 

Das MPS interessiert sich besonders für die Analyse der von der Sonnengravitation verursachten Librationsbewegung und des Gezeitensignals mit einer Amplitude von vermutlich etwa einem Meter innerhalb eines Merkurjahres. Letztere Amplitude ist durch die Lovezahl h charakterisiert. Die Bestimmung der Librationsamplitude und des Tidenhubs geben Hinweise auf die innere Struktur des Merkur, insbesondere die Größe des sehr wahrscheinlich teilweise flüssigen Kerns. Für diese Bestimmung muss die langwellige Topographie bis mindestens zur 40ten Ordnung in Kugeloberflächenfunktionen entwickelt werden. Dann ergibt gemäß Simulationen die Auswertung der insgesamt etwa 300 Millionen Topographiemesswerte eine Präzision von mindestens 10% zur Bestimmung der Lovezahl. Die Koeffizienten der Entwicklung der statischen Topographie in Kugelflächenfunktionen werden mit Zentimeter-präzision extrahiert.

Simulierte Topographie des Merkur mit sphärischen harmonischen Entwicklungskoeffizienten, die sich an diejenigen der Mondtopographie anlehnen, und hypothetische Messfehler der aus simulierten BELA-Daten extrahierten Koeffizienten im Vergleich zu den in der Topographiesimulation verwendeten Koeffizienten sowie hypothetischer Messfehler der extrahierten Lovezahl relativ zu der in der Topographiesimulation angesetzten Lovezahl von 0.7. Die Simulation basiert auf der optimistischen Annahme rein Gauss’scher Messfehler der BELA Einzelmessungen und auf der pessimistischen Annahme, dass die Grössenordnung dieser Einzelmessfehler 60 m beträgt (Koch et al., 2010). Die violett markierten Daten beziehen sich auf die Situation, dass Laseraltimetermessungen bis 1055 km Höhe möglich sind, die hellblau markierten Daten beziehen sich auf die Situation, dass Messungen bis zur Maximalhöhe von 1500 km möglich sind.

Das Instrument

BELA verwendet die Methode der Laseraltimetrie durch "direkte Detektion". Pulse hoher Energie (50 mJ) bei 1064 nm werden von einem aktiv gütegeschalteten Nd:YAG Laser bei einer Repetitionsrate von 10 Hz emittiert. Der Laserstrahl wird auf eine Strahldivergenz von etwa 40 bis 60 Microradian aufgeweitet.Der Laserfleck auf Merkurs Oberfläche ist damit etwa - bei einer Raumsondenhöhe von 400 bis 1000 km - 20 bis 50 Meter groß. Etwa 5 ms nach Senden des Laserpulses wird ein kleiner Bruchteil des von Merkurs Oberfläche zurückgestreutem Laserlichts in einem F/5 Teleskop mit 25 cm Durchmesser detektiert. Dabei passiert dieses ein schmal-bandiges Interferenzfilter, um den Anteil von Rauschphotonen durch Merkurs Wärmestrahlung zu reduzieren, und wird dann auf eine Siliziumlawinenphotodiode fokussiert.

Sowohl der rückgestreute Laserpuls als auch ein kleiner Bruchteil des emittierten Lichts, welches über eine Glasfaser vom Sender zum Empfänger gelangt, werden von der selben Lawinenphotodiode detektiert, um systematische Fehler zu vermeiden. Beide Signale werden digitalisiert, um die exakte Pulsform und –intensität bestimmen zu können. Daraus werden topographische Höhe, die Steigung, die Oberflächenrauigkeit und der Albedo an jedem Messpunkt bestimmt. Die Daten werden zur Digitalen Recheneinheit transferiert, welche den Instrumentenbetrieb und die Schnittstelle zur Raumsonde kontrolliert. Datenkompression und –speicherung sind an Bord der Raumsonde geplant.

Das BELA Experiment benötigt große Blenden gegen Sonnenstrahlung und thermische Strahlung vom Planeten Merkur. Mit Hilfe aktiver Thermalkontrolle ist es möglich, das BELA-Instrument auf der Tagseite des Merkur mit nur leicht variierendem Signal-Rausch-Verhältnis durchgängig zu betreiben. Dies erlaubt optimale Datenerfassung während der eher kurzen Missionsdauer von maximal zwei Erdjahren, um die globale statische und zeitabhängige Topographie zu extrahieren.

BELA erzielt etwa 2 ns Zeitauflösung (entsprechend 30 cm), was bei der erwarteten Genauigkeit der Kenntnis der Position der MPO-Raumsonde angemessen ist. Optimale Daten werden von Raumsondenhöhen bis 1000 km erwartet.

Geplanter Instrumentenbetrieb

Von Ende 2025 an wird BELA im Umlauf um Merkur betrieben und sammelt topographische Daten.

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