Missionsverlauf
Start	7. 2. 1999
Kurskorrektur DSM-1	18. 1. - 22. 1. 2000
Größte Entfernung von Sonne	10. 2. 2000
1. Staubsammelphase	22. 2. - 1. 5. 2000
Standbymodus nach Sonnensturm	21. 11. - 23. 11. 2000
Gravity Assist Manöver	15. 1. 2001
Solare Konjunktion (kein Funkkontakt zwischen Stardust und Bodenstation)	17. 12. - 31. 12. 2001
Kurskorrektur DSM-2	18. 1. 2002
2. Staubsammelphase	5. 8. - 9. 12. 2002
Vorbeiflug und Fotografieren des Asteroiden Annefrank	2. 11. 2002
Solare Konjunktion (kein Funkkontakt zwischen Stardust und Bodenstation)	3. 4. - 18. 4. 2003
Kurskorrektur DSM-3	17. 6. 2003
Vorbeiflug Wild 2	2. 1. 2004
Kurskorrektur DSM-4	2. 2. 2004
Abkopplung Rückkehrkapsel	15. 1. 2006 (geplant)
Landung Rückkehrkapsel	15. 1. 2006 (geplant)

Die Raumsonde Stardust (Sternenstaub) ist eine Mission der NASA, die 1999 gestartet wurde. Ziel der Mission ist das Einfangen von Partikeln aus der Gashülle (Koma) des Kometen Wild 2 sowie des interstellaren Staubs, die im Januar 2006 zur Erde zurückgebracht werden sollen. Für die Entwicklung und den Bau der Sonde standen im Rahmen des Discovery-Programms zur Erforschung des Sonnensystems 150 Millionen Dollar zur Verfügung.

Kometen sind in den äußeren Bereichen des Sonnensystems entstanden. In ihnen ist vermutlich auch heute noch die Materie enthalten, aus der die Planeten unseres Sonnensystems entstanden sind. Die Untersuchung von kometarer Materie erlaubt damit einen Blick in die Entstehungszeit unseres Sonnensystems. Aufgrund der Beschränkungen, die für eine Sondenmission gelten, bietet eine Rückkehrmission mit gesammelten Proben deutliche Vorteile gegenüber Untersuchungen vor Ort. Speziell erwartet man von den kometaren Stardustproben Antworten

• über die mineralogische und chemische Zusammensetzung von Kometen auf Submikrometerskalen
• inwieweit Kometen in ihrer Zusammensetzung Meteoriten oder interplanetarem Staub ähneln bzw. sich von ihnen unterscheiden
• ob Wasser in Kometen ausschließlich in Eis gebunden ist, oder auch in hydratisierten Mineralien vorkommt
• über Anomalien der Isotopenzusammensetzung
• über die Natur von kohlenstoffhaltigem Material und ihren Zusammenhang mit Silikaten oder anderen Mineralen

1993 wurde durch Ulysses erstmals nachgewiesen, dass interstellarer Staub aus der Richtung des Skorpion durch das Sonnensystem hindurchströmt. Dies wurde durch die Galileo-Mission 1994 bestätigt, jedoch kann man aus astronomischen Beobachtungen nur sehr ungenaue Angaben über den Aufbau und die Zusammensetzung der Staubteilchen gewinnen: es handelt sich um kleine, weitgehend unstrukturierte Teilchen - aus den Messungen könnte man zum Beispiel nicht einmal ausschließen, dass es sich um Tonerpartikel von Laserdruckern handelt. Aus diesem Grund ist die zweite Zielrichtung der Mission die Sammlung von interstellarem Staub, um Antworten zu erhalten

• über die chemische Zusammensetzung
• über die Isotopenverhältnisse der wichtigen Elemente wie C, H, Mg, Si, O
• über die mineralische und strukturelle Beschaffenheit
• ob alle Teilchen Isotopenanomalien aufweisen
• über die Silikate: haben sie eine glasige oder eine kristalline Struktur? Welchen Si:O Verhältnis weisen sie auf?
• ob Graphit-Partikel häufig genug sind, um die beobachtete 0,22 µm-Extinktion zu erklären
• ob die Teilchen homogen aufgebaut sind, oder z. B. aus einem Silikatkern mit organischem Mantel bestehen
• ob die Teilchen weitgehend identisch aufgebaut sind, oder ob es verschiedene Komponenten gibt
• ob es Hinweise auf Veränderungsprozesse gibt, wie z. B. durch Sputtering, Kollisionen, Aggegation oder chemische Veränderungen

Aus dem Vergleich der Proben kann man sowohl Rückschlüsse auf mögliche Veränderungen der Zusammensetzung des heutigen interstellaren Mediums im Vergleich zur Entstehungszeit des Sonnensystems ziehen als auch Prozesse während der Entstehung des Sonnensystems identifizieren. Die bisherigen Modelle über die Zusammensetzung des interstellaren Staubs sind rein theoretischer Natur - die Stardust-Proben bieten die erste Möglichkeit eines Vergleichs mit der Wirklichkeit.

Die Sonde Stardust wurde am 7. Februar 1999 mit einer Delta II 7426-Trägerrakete vom Kennedy Space Center in Cape Canaveral/Florida gestartet und in einen Sonnenorbit mit zweijähriger Umlaufzeit gebracht. Durch ein Gravity Assist-Manöver, bei dem sich die Sonde im Januar 2002 durch einen nahen Vorbeiflug an der Erde zusätzlichen Schwung holte, wurde der Orbit auf eine zweieinhalbjährige Umlaufzeit aufgeweitet, auf dem die Sonde zwei Sonnenumkreisungen durchführen muss, bevor sie bei der erneuten Begegnung mit der Erde 2006 die Rückkehrkapsel ausklinkt.

Durch diese Bahncharakteristik müssen zum einen, neben kleineren Kurskorrekturen, nur vier Bahnkorrekturen durchgeführt werden, so dass die Sonde mit 85 Kilogramm Treibstoff auskommt. Zum anderen besteht auch genügend Zeit, während der ersten beiden Sonnenläufe ausreichende Mengen interstellaren Staubs zu sammeln.

Am 9. November 2000 gerät Stardust in den viertstärksten "Sonnensturm", der seit Beginn der kontinuierlichen Beobachtungen im Jahre 1976 gemessen wurde. Der Sonnenwind war, verursacht durch eine starke Sonneneruption, 100.000-mal stärker als normal, wodurch die zwölf stärksten Signale der Navigationskamera, die zur Kursbestimmung herangezogen werden, ausschließlich auf Protonenstrahlung zurückzuführen waren. Daraufhin schaltete sich die Sonde automatisch in einen Standby-Modus, der die Sonde vor Schäden bewahrte. Nachdem der Sonnenwind sich am 11. November wieder auf normale Stärke reduziert hat, erfolgte ein Reset der Navigationssysteme, eine Überprüfung des Kamerasystems ergibt, dass keine Schäden durch die harte Teilchenstrahlung entstanden sind. Auch für die anderen Bordsysteme ist noch volle Funktionsfähigkeit gegeben.

Während des zweiten Umlaufs erfolgte am 2. November 2002 ein enger Vorbeiflug am Asteroiden 5535 Annefrank in nur 3.300 Kilometer Entfernung. Die Annäherung an Annefrank diente im wesentlichen der Vorbereitung und dem Test aller Systeme für das eigentliche Missionsziel Wild 2.

Am 2. Januar 2004 flog Stardust schließlich in einer Entfernung von 240 km und mit einer Relativgeschwindigkeit von 6,1 km/s an dem Kometen Wild 2 vorbei. Dabei schoß die Sonde mehrere Aufnahmen des Kometen und sammelte Komamaterial ein.

Im Januar 2006 wird Stardust die Landekapsel aussetzen, die an einem Fallschirm zur Erde zurückkehren soll, Stardust selbst verbleibt in einem Sonnenorbit. Die Rückkehrkapsel und auch der Landemechanismus per Fallschirm sind bei Stardust identisch zur Raumsonde Genesis. Nach dem medienwirksamen Versagen des Landefallschirms bei Genesis hat bei der NASA eine intensive Ursachenforschung begonnen, um einen ähnlichen Fehlschlag bei Stardust möglichst zu vermeiden.

Masse
Sonde	254 kg
Rückkehrkapsel	46 kg
Treibstoff	85 kg
Gesamtgewicht	385 kg

Die Sonde wurde von Lockheed Martin Astronautics gebaut und basiert auf dem Entwurf des SpaceProbe deep space bus. Für Kurskorrekturen steht ein einzelnes Triebwerk zur Verfügung, das aufgrund der Bahncharakteristik der Sonde nur 85 Kilogramm Hydrazin (N₂H₄) als Treibstoff benötigt. Die Lagestabilisierung der Sonde erfolgt während des kompletten Fluges in allen drei Achsen. Die Lagebestimmung erfolgt primär über Positionsbestimmung von Sternen anhand der Navigationskamera, zusätzlich während der Kurskorrekturen und dem Vorbeiflug an Wild 2 mit Beschleunigungssensoren, sowie als Backup-Möglichkeit durch Sonnensensoren. Die zentrale Prozessoreinheit RAD6000, die auf einem 32-Bit-PowerPC-Prozessor basiert, ist für die komplette Steuerung und Datenverarbeitung verantwortlich. Auf der Prozessorkarte stehen 128 Megabyte Speicher zur Verfügung, wovon 20% für Betriebssystem und Steuerungsprogramme verwendet werden. Der Rest dient als Zwischenspeicher für 600 MB Bilddaten der Navigationskamera, 100 MB Daten des Staubanalysators und 16 MB Daten des Staubflußanalysators, bevor sie zur Erde gesendet werden. Der Funkkontakt wird über das X-Band des Deep Space Network gewährleistet. Stardust hat eine 60 Zentimeter Parabolantenne mit 15 Watt Sendeleistung, die für die Cassini-Sonde entwickelt wurde. Zur Stromversorgung dienen zwei Solarzellenpanels mit insgesamt 6,6 m² Fläche. Für den Zeitraum von Abschattungen und Phasen hohen Stromverbrauchs steht zusätzlich eine 16 Ah NiH₂ wiederaufladbare Batterie zur Verfügung. Die Stromversorgung wurde für die Small Spacecraft Technology Initiative (SSTI) entwickelt. Aus Sicherheitsgründen sind alle Komponenten redundant ausgelegt, um Ausfälle kompensieren zu können.

Zum Schutz der Sonde bei der Annäherung an den Kometen, die mit 6,1 km/s erfolgt, befindet sich an der Vorderseite der Sonde ein Schutzschild, das Whipple-Schild. Das Schild besteht im Bereich der Solarpanels aus zwei, im Hauptbereich der Sonde aus drei Schichten Keramikmaterial zur Abbremsung auftreffender Teilchen, hinter diesen Schichten ist jeweils ein Nextel-Gewebe angebracht, um die Trümmerteile aus den Stoßfängerschichten aufzufangen. Die Struktur ist in der Lage, Teilchen bis zu einer Größe von einem Zentimeter von den Instrumenten fernzuhalten.

Die Navigationskamera dient in erster Linie zur optischen Navigation der Sonde während der Annäherung an Wild 2. Aus den Daten wird die Distanz zum Kometenkern präzise bestimmt, damit ausreichend Staubproben gesammelt werden können, wobei die Sonde zur Minimierung des Risikos gleichzeitig einen möglichst großen Sicherheitsabstand hält. Die Daten des CCD-Detektors werden auf 12 Bit digitalisiert und mit 300 kPixel pro Sekunde ausgelesen.

Die Kamera soll aber auch hochauflösende Bilder des Kometen während des Vorbeiflugs liefern, aus denen dreidimensionale Karten des Kerns berechnet werden sollen. Es stehen mehrere Filter zur Verfügung, um durch Aufnahmen bei unterschiedlichen Wellenlängen Informationen über die Zusammensetzung der Koma, die Dynamik von Gas und Staub sowie der Jets zu erhalten. Das Kameradesign ist eine Weiterentwicklung der Voyager-Weitwinkelkamera.

Das optische System hat eine Brennweite von 200 Millimetern, eine Apertur von f/3,5 und ist auf den Spektralbereich von 380 bis 1000 Nanometer ausgelegt. Die Auflösung beträgt 60 Mikroradian/Pixel in einem Sichtfeld von 3,5 x 3,5 Grad. Vor der Kameraoptik ist ein Scanspiegel angebracht, um während des Vorbeifluges an Wild 2 den Kometenkern im Sichtfeld der Kamera halten zu können. Für die Zeitspanne der direkten Begegnung erfolgt die Beobachtung des Kerns über ein Periskop, so dass die empfindliche Kameraoptik hinter dem Whipple-Schild vor Beschädigungen geschützt ist.

Das Staubflußmonitorsystem (Dust Flux Monitor, DFM) besteht aus dem eigentlichen Staubflußmonitor und zwei weiteren akustischen Einschlagsensoren für die selteneren, aber gefährlichen Einschläge größerer Partikel. Die Aufgaben des Systems bestehen in

• der Beobachtung des Staubs in der Umgebung der Sonde, um anomales Verhalten der Sonde besser interpretieren zu können.
• der Bereitstellung von Echtzeit-Flußmessungen von größeren Komapartikeln des Kometen, um frühzeitig mögliche Gefahren zu erkennen, wenn sich die Sonde der Kometenkoma nähert.
• der Messung der räumlichen und zeitlichen Änderungen des Staubteilchenflusses und deren Massenverteilung beim Vorbeiflug am Kometen Wild 2.
• der Bereitstellung der Umgebungsbedingungen für die gesammelten Staubproben. Der Staubflußmonitor enthält einen speziellen polarisierten Kunststoff Polyvenylidenfluorid (PVDF), der elektrische Pulssignale liefert, wenn er von kleinen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit getroffen wird.

Der Staubflußmonitor ist eine Weiterentwicklung von Sensoren, die auf früheren Missionen zum Einsatz kamen. Dazu gehören

• der Staubzähler und Massenanalysator, der auf den VeGa-Missionen zum Kometen Halley
• das ERIS-Observer-Instrument, das hervorragende Daten lieferte, die jedoch weiterhin als classified gelten (d.h. sie sind noch nicht freigegeben)
• das SPADUS-Instrument (SPAce DUSt) des ARGOS-Satelliten (Advanced Research and Global Observation Satellite), der im Dezember 1998 gestartet wurde
• der Hochflußdetektor (High Rate Detector, HRD) der Cassini-Mission zum Saturn, die im Oktober 1997 gestartet wurde.

Der Staubflußmonitor besteht aus der Sensoreinheit (Sensor Unit), der Elektronikbox (Electronics Box) und den beiden akustischen Sensoren. Die SU besteht aus zwei unabhängigen PVDF-Staubsensoren, die in einem Rahmen vor dem Whipple-Schild angebracht sind. Jeder Sensor ist mit einem 1,4 Meter langen Kabel mit der EB im Inneren der Sonde verbunden. Die SU liefert kumulative und differentielle Flüsse in einem Massenbereich von 10^-11 bis 10^-4 Gramm, sowie kumulative Flüsse für Massen über 10^-4 Gramm.

Ein akustischer Sensor ist am ersten Whipple-Schild angebracht, der zweite auf einer steifen Kohlefaser-Epoxit-Platte an der ersten Nexteldecke, der nach Ergebnissen von Labormessungen von Teilchen ausgelöst wird, die mit einer Größe von mindestens 1 Millimeter den Stoßfänger durchschlagen. Diese Sensoren bestehen aus einem piezoelektrischen Quarz-Transducer, der jede Vibration des Schildes in elektrische Signale umwandelt, die zur EB weitergeleitet werden.

Der Staubanalysator (Cometary and Interstellar Dust Analyzer, CIDA) untersucht in Echtzeit den Staub, der auf das Instrument fällt, um die Daten zur Erde zu senden. Es handelt sich um das gleiche Instrumentendesign, das auch schon bei der Giotto-Sonde und den beiden VeGa-Sonden zum Einsatz kam. Es handelt sich um ein Massenspektrometer, das die Ionenmassen aufgrund seiner Laufzeit im Instrument bestimmt, wobei die Funktionsweise sehr einfach gehalten ist. Wenn der Staub auf das Target fällt, werden durch ein elektrisch geladenes Gitter Ionen abgetrennt, die sich durch das Instrument bewegen, am Reflektor zurückgeworfen und vom Detektor wieder aufgefangen werden. Hierbei benötigen schwerere Ionen eine größere Zeitspanne vom Gitter zum Detektor als leichte.

CIDA besteht aus einer Einlaßöffnung, einer gewellten Aluminiumfolie als Target, dem Ionenextraktor, dem Time-Of-Flight-Massenspektrometer und dem Detektor. Im Unterschied zur Ausführung bei der Giottomission, muss die Targetfolie aufgrund des gegenüber Halley niedrigeren Staubflusses von Wild 2 nicht bewegt werden, zusätzlich wurde der Targetbereich von 5 cm² auf 50 cm² vergrößert.

Bei 6,1 km/s, der Relativgeschwindigkeit der Sonde beim Vorbeiflug an Wild 2, können sowohl ionisierte Atome als auch Molekülionen für die Beobachtung wichtig werden, bei einem Sensitivitätsbereich von 1 bis mindestens 150 amu können somit umfangreiche Analysen durchgeführt werden. Die Daten können zusätzlich aufgezeichnet werden, so dass sie möglicherweise erst Wochen nach der Kometenbegegnung zur Erde zurückgesendet werden können, da die Datenverbindung während der Annäherung an den Kometen bereits durch die Bilddaten ausgelastet sein wird.

CIDA wurde unter Federführung der DARA in enger Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Aeronomie in Lindau von der Firma Hoerner & Sulger in Schwetzingen gebaut, die Software wurde vom Finnischen Meteorologischen Institut in Helsinki entwickelt.

Der Staubkollektor besteht aus ein und drei Zentimeter dicken Aerogelblöcken, die in modularen Aluminiumzellen befestigt sind. Die eine Seite des etwa 1000 Quadratzentimeter großen Kollektors wird zur Sammlung interstellaren Staubs verwendet, die andere Seite zur Sammlung von Kometenmaterial.

Das Hauptproblem bei der Sammlung von interstellarem Staub und Komamaterial besteht in der Abbremsung der Teilchen, die bei der Begegnung mit Wild 2 die 6-fache Geschwindigkeit einer Gewehrkugel haben, ohne sie dabei in Struktur und Zusammensetzung zu verändern. Aerogel ist aufgrund seiner hochporösen, sehr leichten Silikatstruktur, die zu 99,8 Prozent aus Vakuum besteht und etwa die Dichte von Luft besitzt, für diesen Zweck sehr gut geeignet, da die Teilchen sehr langsam abgebremst werden.

Die Rückkehrkapsel (Sample Return Capsule, SRC) ist ein kompaktes System, das im Wesentlichen aus dem Probenkanister, dem Hitzeschild und der oberen Abdeckung, sowie Navigationshilfen und einem kleinen Fallschirmsystem besteht. Während der Probennahme wird die obere Abdeckung zurückgeklappt und der Staubkollektor, der etwa die Form eines Tennisschlägers aufweist, ausgeklappt. Nach Beendigung der Probennahme wird der Staubkollektor wieder eingeklappt und die Rückkehrkapsel hermetisch verschlossen.

Bei der Rückkehr zur Erde, kurz bevor Stardust die Erdbahn kreuzt, wird die Rückkehrkapsel freigesetzt, wobei ihr zur Lagestabilisierung eine Drehbewegung mitgegeben wird. Anschließend fliegt die Rückkehrkapsel im freien Fall durch die Erdatmosphäre, stabilisiert durch die Lage des Schwerpunktes, die Drehbewegung und die aerodynamische Form. In etwa 3 Kilometer Höhe öffnet sich ein Bremsfallschirm zur Verringerung der Fallgeschwindigkeit. Die Landung soll in einem Gebiet von 84 x 30 Quadratkilometer in der Umgebung der Utah Test and Training Range (UTTR) erfolgen. Um die Kapsel leichter wiederzufinden, befindet sich in der Kapsel ein UHF-Peilsender. Zusätzlich wird die Landung mit bodengestützten Radarsystemen verfolgt. Nach der Bergung mit Helikoptern oder Bodenfahrzeugen wird die Kapsel zur UTTR gebracht, bevor sie im Johnson Space Center geöffnet wird, und der gesammelte Staub extrahiert und analysiert wird.

• Offizielle Stardust-Seite der NASA (engl.)
• Stardust (dt.)
• extrasolar-planets.com - Stardust (dt.)

Siehe auch: Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen