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Seltsame Mondumlaufbahnen

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Kurz vor dem Ende der Apollo 16 Mission, am 24. April 1972, kurz bevor sie zur Erde zurückkehrten, starteten die Astronauten ein letztes wissenschaftliches Experiment: einen kleinen "Sub-Satelliten" genannt PFS-2, der alle 2 Stunden einmal den Mond umkreiste.

Das Ziel? In Verbindung mit dem älteren Sub-Satelliten PFS-1, der von den Apollo 15 Astronauten 8 Monate vorher freigesetzt wurde, sollte PFS-2 geladene Teilchen und Magnetfelder des Mondes messen, während dieser die Erde umkreist. Die niedrigen Umlaufbahnen beider Sub-Satelliten mussten dabei ähnliche Ellipsen sein, die zwischen 89 und 122 km oberhalb der Mondoberfläche entlang führten.

Es geschah aber etwas Seltsames.

Die Umlaufbahn von PFS-2 veränderte sehr schnell ihre Form und Entfernung vom Mond. Innerhalb von 2,5 Wochen näherte sich der Satellit bis auf haarsträubende 10 km der Oberfläche. Mit der fortschreitenden Änderung der Umlaufbahn vergrößerte sich dieser Abstand wieder, bis es aussah, er hätte wieder sichere  45 km Abstand erreicht. Allerdings nicht lange: Unaufhaltsam führte die Umlaufbahn des Sub-Satelliten ihn wieder zurück zur Mondoberfläche. Und am 29. Mai 1972 -- nur 35 Tage und 425 Umläufe nach seinen Start -- stürzte PFS-2 ab. Was ist passiert? Der Mond selbst hat den Tod des Sub-Satelliten verschuldet. Dies ist die Aussage von Alex S. Konopliv, Planetenwissenschaftler an NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena. Er und mehrere Kollegen haben die Umlaufbahnen von verschiedenen Satelliten nach PFS-2 analysiert, speziell die Mission des Lunar Prospector aus den Jahren 1998-99.

"Wenn der Mond eine gleichmäßige Kugel wäre, könnte man perfekte Kreise oder Ellipsen als Umlaufbahnen haben," erklärt Konopliv. "Der Mond besitzt keine Atmosphäre die Widerstand oder Erwärmung bei einem Raumschiff verursachen würde, man kann also sehr tief hinunter gehen: Lunar Prospector kreiste 6 Monate lang in einer Höhe von nur 30 Kilometern über der Oberfläche."

Warum also endete PFS-2, der in eine elliptische Umlaufbahn, mit Höhen von 97 bis 120 km, gebracht wurde, als ein Haufen von zerstörten Aluminiumstreben und Sonnenkollektoren?

"Der Mond ist extrem pummlig, aus Sicht der Gravitation," fährt Konopliv fort. "Ich meine damit nicht Berge oder Geländestrukturen. Ich meine Masse. Was aussieht wie flache Seen aus Lava, besitzt riesige Gravitationsanomalien -- was bedeutet, dass ihre Masse und folglich auch ihre Gravitationsfelder stärker sind als der Rest der Mondkruste." Bekannt als Massenkonzentrationen, liegen fünf große davon auf der uns zugewandten Seite des Mondes, alle in den Mond-Seen, die mit einem Fernglas von der Erde aus sichtbar sind.

Die Anomalie dieser Massenkonzentrationen ist so groß -- ein halbes Prozent -- das sie sogar für Astronauten auf der Oberfläche des Mondes messbar wären. "Wenn man sich am Rande einer dieser Seen befände, würde ein Pendel etwa ein drittel Grad von der Vertikalen abweichen und hin zur Massenkonzentration zeigen," sagt Konopliv. Des Weiteren würde ein Astronaut in voller Ausrüstung, dessen Gewicht 22,7 kg betrüge, im Zentrum der Massenkonzentration etwa 124 Gramm mehr wiegen. "Massenkonzentrationen auf dem Mond sorgen dafür, dass die meisten niedrigen Umlaufbahnen instabil sind," sagt Konopliv. Wenn Satelliten 80 oder 96 Kilometer über die Oberfläche fliegen, ziehen sie die Massenkonzentrationen nach vorne, hinten, rechts, links oder unten, wobei die genaue Richtung und Stärke der Kraft von der Flugbahn des Satelliten abhängen. Ohne regelmäßige Kurskorrekturen durch Raketen an Bord werden die meisten Satelliten, die in niedrigen Umlaufbahnen ausgesetzt werden, letzen Endes auf dem Mond aufschlagen. PFS-2 war einfach nur ein besonders extremes Beispiel. Selbst sein älterer Vorgänger PFS-1 stürzte im Januar 1973, nach weniger als 1,5 Jahren, auf den Mond ab.

Was bedeutet dies für die zukünftige Erforschung des Mondes?

Vorsicht walten lassen bei der Auswahl einer niedrigen Umlaufbahn für einen Satelliten. "Was zählt ist die Neigung der Umlaufbahn," also die Neigung seiner Ebene zur Ebene des Äquators des Mondes. "Es gibt einige 'eingefrorene Umlaufbahnen' auf denen ein Raumschiff bis in alle Ewigkeit in einer niedrigen Umlaufbahn kreisen kann. Sie tauchen bei vier Neigungen auf: 27º, 50º, 76º, und 86º" — die letzte führt fast genau über die Pole des Mondes. Die Umlaufbahn des Apollo 15 Sub-Satelliten hatte eine Neigung von 28°. Der arme PFS-2 Satellit war verflucht durch seine Neigung von 11°.

Alternativ dazu, wenn wissenschaftliche Gründe dafür sprechen eine nicht-eingefrorene Neigung der Umlaufbahn zu wählen, muss man regelmäßige Kurskorrekturen einplanen. Lunar Prospector musste alle zwei Monate solch ein Manöver durchführen, um ihn auf seiner ursprünglichen Umlaufbahn von 100 Kilometern zu halten -- und öfter als einmal pro Monat, wenn er bei einer Höhe von 30 Kilometern kreiste. Als sein Treibstoff fast leer war, wussten die Wissenschaftler, dass das Ende nahe war, und ließen ihn am 30. Juli 1999 absichtlich, nahe dem Südpol des Mondes abstürzen, um die Staubfahne zu beobachten. Nach 1,5 Jahren hat der Mond das Raumschiff für sich eingefordert.

Die Fußnote, sagt Konopliv: "Sorgen sie für genügend Treibstoff."

Quelle: Science@NASA

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