GRAIL

Engl. Akronym für Gravity Recovery and Interior Laboratory; abgeschlossene Mondmission der NASA, die im Rahmen des Discovery-Programms durchgeführt wurde. GRAIL bestand aus zwei gemeinsam gestarteten Raumsonden (Grail-A und Grail-B), die zwischen Anfang 2012 undDezember 2012 den Mond umkreisten. Ziel der Mission war die genaue Vermessung des lunaren Schwerefelds und der Schwereanomalien, um daraus Aufschlüsse über den inneren Aufbau des Mondes zu gewinnen.

Beide Raumsonden kollidierten zum planmäßigen Missionsende am 17. Dezember 2012 mit einem unbenannten Berg zwischen Philolaus und Mouchez nahe dem Mondnordpol. Um 22:28:51 UTC schlug GRAIL A („Ebb“) zuerst auf der Mondoberfläche auf, etwa 30 Sekunden später folgte GRAIL B („Flow“). Der Ort des Einschlags beider Satelliten wurde von der NASA nach der verstorbenen Astronautin Sally Ride benannt.

GRAIL-Mondmission I Blick in den Reinraum der Astrotech Space Operation's payload processing facility in Titusville, Fla. Grail-A wird von ihrer Arbeitsbühne abgehoben und zum Adapterring auf der linken Seite transportiert, wo bereits die Zwillingssonde GRAIL-B verankert ist. Bei dieser Mission wurden zwei Raumsonden auf dieselbe Umlaufbahn um den Mond gebracht. Beim Überfliegen von Gebieten mit größerer und geringerer Schwerkraft bewegten sie sich leicht aufeinander zu und voneinander weg. Ein Instrument an Bord jeder Raumsonde hat die Änderungen ihrer relativen Geschwindigkeit sehr genau gemessen, und Wissenschaftler haben diese Informationen in eine hochauflösende Karte des Schwerefelds des Mondes umgesetzt. Diese Technik zur Messung der Schwerkraft ist im Wesentlichen die gleiche wie die des Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE), das die Schwerkraft der Erde kartiert hat.

GRAIL-Mondmission II Grafik mit den Flugbahnen von GRAIL-A und GRAIL-B zu Beginn und am Ende des Startfensters. Die energiesparenden Trajektorien verlassen die Erde Richtung Sonne und passierten den inneren Sonne-Erde Lagrange Punkt 1, bevor sie wieder zum Erde-Mond-System zurückkehrten. Die im September 2011gestarteten Sonden, flogen bis zum Ende ihrer Mission im Dezember 2012 auf einer nahezu kreisförmigen Umlaufbahn in der Nähe der Mondpole in einer Höhe von etwa 55 Kilometern. Der Abstand zwischen den Zwillingssonden änderte sich geringfügig, als sie über Bereiche mit größerer und geringerer Schwerkraft flogen, die durch sichtbare Merkmale wie Berge und Krater sowie durch unter der Mondoberfläche verborgene Massen verursacht wurden. Quelle: NASA

Die Mission wurde vom Jet Propulsion Laboratory geleitet. Die Sonden wurden von Lockheed Martin Space Systems basierend auf dem XSS 11-Satelliten gebaut. Die Stromversorgung erfolgte über zwei ausklappbare, aber nicht schwenkbare Solarmodule, die Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufladen. Zur Lageregelung dienten Warmgas-Steuerdüsen und Reaktionsschwungräder. Die Daten wurden über eine S-Band-Funkverbindung an das Deep Space Network (DSN) übertragen.

Die Sonden arbeiteten, wie die GRACE-Satelliten, nach dem SST-Prinzip (Satellite-to-Satellite Tracking): sie umrundeten den Mond auf derselben Bahn und maßen mit elektromagnetischen Wellen im Ka-Band kontinuierlich die gegenseitige Distanz. Dadurch ließen sich Unregelmäßigkeiten des Schwerefeldes mit hoher Präzision analysieren. Die gewonnenen Daten dienten der Erstellung einer hochauflösenden Karte des Gravitationsfeldes des Mondes.

Als zusätzliche Nutzlast, zu Bildungszwecken für Schüler, befanden sich auf jeder der beiden Sonden das Kamerasystem E/PO MoonKam mit jeweils fünf einzelnen Kameras, die Bilder von der Mondoberfläche, der Erde und den Sonden selbst übermittelten.

Nach dem Start erfolgte eine dreieinhalbmonatige Transferphase über den Lagrange-Punkt L1 des Erd-Sonne-Systems zum Mond, um die erforderliche Geschwindigkeitsänderung klein zu halten und andererseits die sehr niedrige Mondumlaufbahn von nur etwa 50 km Höhe möglichst exakt zu erreichen. Die Umlaufzeit der Sonden um den Mond betrug 113 Minuten. Auf dieser Höhe folgten die beiden Satelliten in etwa 175 - 225 km Abstand einander.

GRAIL-Mondmission III Durch die Anwendung eines hochgenauen Formationsflugs kartierten die Zwillingsraumsonden das Schwerkraftfeld des Mondes. Funksignale zwischen den beiden Raumfahrzeugen lieferten den Wissenschaftlern die benötigten genauen Messungen, ebenso wie den kontinuierlichen Informationsfluss, wenn sich die Raumfahrzeuge auf der erdabgewandten Seite befanden.

GRAIL-Mondmission IV Das Lunar Gravity Ranging System (LGRS) war die wissenschaftliche Nutzlast der GRAIL-Mondsonden. Das LGRS war verantwortlich für das Senden und Empfangen der Signale, die benötigt wurden um hochpräzise die Entfernungsänderungen zwischen den zwei Raumfahrzeugen zu messen. Quelle: NASA

Die eigentliche Wissenschaftsmission hatte eine Dauer von 90 Tagen. Diese war in drei Zyklen von je 27,3 Tagen gegliedert. Zweimal täglich standen die Sonden für je acht Stunden mit dem Deep Space Network (DSN) in Verbindung und übertrugen die Daten.
Nach der Wissenschaftsphase und einer Verlängerung erfolgte eine fünftägige Außerdienststellungsphase, nach der die beiden Satelliten etwa 40 Tage später auf dem Mond aufschlugen.

Weitere Informationen:

• About Grail (MIT u. a.)
• GRAIL (NASA)
• GRAIL (eoPortal Directory)
• Sonden-Duo soll Rätsel um zweiten Erdmond lösen (Spiegel online)
• Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) Launch (NASA Press Kit)