16.06.2019 | Forschung | Umwelt & Materie

Bern im All: Vom Mond bis zum Jupiter

Ende Juni feiert die Universität Bern mit der Bevölkerung anlässlich des 50-jährigen Jubiläums der ersten Mondlandung ein grosses Wissenschaftsfest. Bereits seit 1967 nimmt die Uni Bern an Missionen der Weltraumorganisationen ESA, NASA, Roskosmos, JAXA und an weiteren internationalen Weltraumaktivitäten teil. «uniaktuell» gewährt einen Einblick in die faszinierenden Weltraummissionen mit Berner Beteiligung.

Von Brigit Bucher

Die Berner Weltraumforschung ist seit über 50 Jahren an der Weltspitze mit dabei. In Zahlen ergibt dies eine stattliche Bilanz: 25 Mal flogen Instrumente mit Raketen in die obere Atmosphäre und Ionosphäre (1967-1993), neun Mal auf Ballonflügen in die Stratosphäre (1991-2008), über 30 Instrumente flogen auf Raumsonden mit, und ein Satellit wurde gebaut (CHEOPS, Start 2. Hälfte 2019). Ziel der Berner Weltraumforschung war und ist, die Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems sowie den Ursprung des Lebens zu ergründen. Mit leistungsstärkeren Raketen und Raumsonden verlagerte sich das Forschungsinteresse immer weiter ins Weltall.

1969 – 1972: APOLLO 11, 12, 14, 15 UND 16 / MOND / SONNENWINDSEGEL / NASA

Bern auf dem Mond

Als am 21. Juli 1969 Edwin «Buzz» Aldrin als zweiter Mann aus der Mondlandefähre stieg, entrollte er als erstes das Berner Sonnenwindsegel und steckte es noch vor der amerikanischen Flagge in den Boden des Mondes. Dieses Solar Wind Composition Experiment (SWC), das von Prof. Dr. Johannes Geiss am Physikalischen Institut der Universität Bern geplant und ausgewertet wurde, war ein erster grosser Höhepunkt in der Geschichte der Berner Weltraumforschung. Das kleine, handliche Gestell mit einer ausrollbaren Alufolie bestach vor allem auch durch seine Einfachheit und war das einzige nicht-amerikanische Experiment an Bord von Apollo 11. Zurück in den Berner Labors lieferte die Folie unschätzbare Informationen über die chemische Zusammensetzung der Sonne. So begleiteten weitere Sonnenwindsegel die nächsten Apollo-Missionen. Am Physikalischen Institut wurden auch Gesteinsproben vom Mond untersucht, und eine grosse Menge an Mondgestein lagerte in den Tresoren der Universität Bern.

1977 – 1979: GEOS 1 UND GEOS 2 / MAGNETOSPHÄRE / MASSENSPEKTROMETER S-303 / ESA

Ein kleines Wunder aus Bern

Die ersten europäischen Satelliten, GEOS 1 und GEOS 2, trugen 1977 und 1978 die ersten Schweizer Massenspektrometer in Umlaufbahnen von mehreren 10 000 Kilometer Abstand zur Erde. Am 20. April 1977 startete GEOS 1 mit einer Delta-Rakete von Cape Canaveral aus. Eine Fehlfunktion führte dazu, dass der geostationäre Orbit nicht erreicht werden konnte. Ein Teil der Experimente konnte aber trotzdem durchgeführt werden. GEOS 2 startete am 14. Juli 1978 – wiederum von Cape Canaveral aus mit einer Delta-Rakete – und positionierte den Satelliten erfolgreich auf 37° Ost über dem Äquator. Das Instrument S-303 – ein Massenspektrometer – wurde an der Universität Bern entwickelt und von der Firma Contraves gebaut. Dieses kleine Wunder der Weltraumtechnologie war knapp fünf Kilogramm schwer und flugfähig – ganz im Gegensatz zu den damaligen tonnenschweren Massenspektrometern, die auf der Erde im Einsatz standen. S-303 verriet wichtige Kenntnisse über die äusserste Hülle unserer Erde, die sogenannte Magnetosphäre, welche die Erde in rund tausend Kilometern Höhe vor den zerstörerischen Teilchen des Sonnenwinds schützt.

1985 – 1992: GIOTTO / KOMET HALLEY / MASSENSPEKTROMETER IMS UND NMS / ESA

Treffen mit dem Kometen Halley

Kometen sind Überreste der Ursuppe, die tiefgefroren als grosse Brocken aus Eis und Staub in den entferntesten Gebieten unseres Sonnensystems erhalten blieben. Die Erforschung von Kometen ermöglicht, Rückschlüsse zu ziehen über die Entstehung unseres Planetensystems vor 4,5 Milliarden Jahren und Kenntnisse zu gewinnen über die Molekülwolke, aus der unser Sonnensystem entstanden ist. Das erste Treffen mit einem Schweifstern gelang der europäischen Mission Giotto am 13. März 1986. Es handelte sich bei dieser Mission um die erste sogenannte «Deep Space»-Mission der ESA. Dabei raste die Sonde mit 24 730 Stundenkilometern 600 Kilometer weit am Komet Halley vorbei. Dies genügte den Berner Massenspektrometern IMS und NMS, um die abgedampfte Atmosphäre des «kosmischen Eisbergs» zu untersuchen und zu beweisen, dass Halley mehrheitlich aus Wassereis besteht und einfache organische Moleküle aufweist.

1990 – 2008: ULYSSES / SONNE / MASSENSPEKTROMETER SWICS / ESA, NASA

Eine Reise zur Sonne

Die Erde und die meisten anderen Planeten umkreisen die Sonne auf oder nahe der sogenannten Ekliptik, einer imaginären Ebene. Einige Raumfahrzeuge haben die Sonne aus dieser Perspektive untersucht, jedoch nicht die Umgebung um deren Nord- und Südpol. Die Erforschung dieser Polregionen war das Ziel der Mission Ulysses, einem gemeinsamen Projekt der ESA und der NASA. Am 6. Oktober 1990 wurde Ulysses an Bord des Spaceshuttles Discovery ins Weltall geschickt. Die Sonde flog dann zum Jupiter, wo sie dessen Gravitationsfeld nutzte, um ein sogenanntes Fly-by-Manöver durchzuführen. So konnte Ulysses die Ekliptik verlassen und in die Umlaufbahn um die Pole der Sonne gelangen. Mit an Bord von Ulysses war das Berner Massenspektrometer SWICS zur Analyse des Sonnenwinds. Damit stärkte die Universität Bern, im Anschluss an ihre Experimente auf dem Mond im Rahmen der Apollo-Missionen, ihre Führungsrolle in der Analyse des Sonnenwinds.

1995 – HEUTE: SOHO / IONEN-MASSENSPEKTROMETER CELIAS / ESA, NASA

Geheimnisse der Sonne lüften

1995 schickten die ESA und die NASA das Sonnenobservatorium SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) ins All. Die besondere Beobachtungsposition von SOHO in 1,5 Millionen Kilometern Abstand von der Erde Richtung Sonne am so genannten Lagrange-Punkt 1, wo sich die Gravitationsfelder von Sonne und Erde gegenseitig aufheben, ermöglicht eine ununterbrochene Sonnenbeobachtung. SOHO liefert Erkenntnisse insbesondere über die innere Struktur und den Aufbau der Sonne, die Sonnenatmosphäre und den Sonnenwind. Mit an Bord ist das hoch empfindliche Ionen-Massenspektrometer CELIAS, das unter der Leitung der Universität Bern entwickelt und gebaut wurde. CELIAS misst Masse, Ionenladung und Energie des Sonnenwinds und untersucht Sonneneruptionen. Es liefert so heute noch laufend wichtige Messungen über den Sonnenzyklus und seinen Einfluss auf die Erde.

2004 – 2016: ROSETTA / KOMET CHURYUMOV-GERASIMENKO / MASSENSPEKTROMETER ROSINA / ESA

Das bisher grösste Wagnis der ESA

Das Massenspektrometer ROSINA war ein Schlüsselexperiment der Rosetta-Mission, der bisher waghalsigsten Mission der Europäischen Weltraumbehörde ESA. Die Rosetta-Sonde hat den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, kurz Chury genannt, während mehr als zwei Jahren im Detail untersucht und dabei sogar zum ersten Mal überhaupt ein Landemodul auf der Oberfläche eines Kometen abgesetzt. Das Massenspektrometer ROSINA (Rosetta-Orbiter Spektrometer für Ionen- und Neutralgasanalyse) wurde unter Leitung der Universität Bern entwickelt, gebaut, getestet und mittels Telekommandos beim Kometen betrieben. Es konnte viele Bestandteile der Atmosphäre von Chury nachweisen – einen Grossteil davon sogar zum ersten Mal bei einem Kometen. ROSINA trug so massgeblich dazu bei, neue Erkenntnisse zur Entstehung unseres Sonnensystems zu gewinnen. Die aktive Phase der Mission ging 2016 mit dem kontrollierten Absturz der Rosetta-Sonde auf die Oberfläche des Kometen Chury zu Ende. Seither werden in Bern aber noch über 2 Millionen Datensätze von ROSINA ausgewertet und für Forschende weltweit zur Verfügung gestellt.

2005 – 2014: VENUS EXPRESS / VENUS / INSTRUMENT ZUR ANALYSE VON WELTRAUMPLASMA UND ENERGETISCHEN ATOMEN ASPERA-4 / ESA

Auf zu einem Geschwisterplaneten der Erde

Venus gehört neben Mars und Merkur als Gesteinsplanet zu den Geschwisterplaneten der Erde. Ein wichtiges Ziel der Venus Express-Mission der ESA war die Erforschung der Venus-Atmosphäre, um Rückschlüsse auf die zukünftige Entwicklung des Klimas auf der Erde ziehen zu können. Mit an Bord der Mission, die 2005 gestartet wurde, war ASPERA-4, das von der Universität Bern mitentwickelt wurde. Das vielseitige Instrument diente unter anderem der Analyse von Weltraumplasma und von energetischen Atomen und untersuchte den Einfluss des Sonnenwinds auf die Venus-Atmosphäre.

2009 – 2013: GOCE / ERDE / PRÄZISE BAHNBESTIMMUNG DES GOCE SATELLITEN / ESA

Neues Weltbild aus der Schwerkraft

Die Struktur der Erdoberfläche und die inhomogene Massenverteilung im Erdinnern bestimmen das Gravitationsfeld der Erde. Dieses liefert die Grundlage, um Veränderungen des Meeresspiegels und der Ozeanströmungen zu untersuchen, was für weltweite Klimamodelle massgeblich ist. Die ESA-Mission GOCE (Gravity Field and steady-state Ocean Circulation Explorer), die erste Hauptmission des «Living Planet Programme», hat das bisher genaueste Bild des Erdschwerefelds ermittelt. Dazu umkreiste GOCE mehr als vier Jahre die Erde auf der niedrigsten Umlaufbahn, in der je ein Forschungssatellit flog. Die Universität Bern war für die präzise Bahnbestimmung der Mission verantwortlich, welche mit der «Bernese GPS Software» durchgeführt wurde, die ebenfalls am Astronomischen Institut der Universität Bern entwickelt wird.

2016 – HEUTE: EXOMARS TRACE GAS ORBITER / MARS / KAMERA CASSIS / ESA, ROSCOSMOS

Spektakuläre Bilder vom Mars

An Bord der ExoMars-Sonde «Trace Gas Orbiter» der Europäischen Weltraumorganistion ESA befindet sich die Berner Kamera CaSSIS – sie liefert die bisher schärfsten Bilder vom Mars in Stereo und Farbe. Die Marskamera wurde von einem Team der Universität Bern entwickelt. Die Bilder von CaSSIS zeigen unter anderem Ansichten von auffälligen Spuren, die von fliessendem Wasser herrühren könnten, illustrieren die Vielfalt der Mineralien auf dem Mars und liefern sogar 3D-Stereoansichten und digitale Geländemodelle. Die 3D-Bilder erwecken die Szenerie auf dem Mars zum Leben, indem sie zusätzlich Einblick in die Höhenunterschiede geben. Diese Informationen sind wichtig für die Entschlüsselung der Geschichte der Ablagerungen und Schichten auf dem Mars. Kombiniert mit Daten aus anderen Instrumenten, ermöglichen die Bilder den Forschenden, Rückschlüsse zu ziehen auf die verschiedenen chemischen Zusammensetzungen und beispielsweise Regionen zu identifizieren, die durch Wasser beeinflusst wurden. Diese Bilder können auch dabei helfen, zukünftige Landeplätze für Missionen zur Erkundung der Marsoberfläche zu bestimmen.

2018 – HEUTE: BEPICOLOMBO / MERKUR / LASER ALTIMETER BELA UND MASSENSPEKTROMETER STROFIO / ESA

Umfassende Erforschung von Merkur

BepiColombo ist eine Mission in Kooperation zwischen der ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA. BepiColombos Hauptaufgaben bestehen in der Untersuchung des Magnetfelds sowie der geologischen Zusammensetzung und Geschichte des sonnennächsten Planeten Merkur. Mit an Bord von BepiColombo sind Instrumente, die am Physikalischen Institut der Universität Bern konzipiert und gebaut wurden. Das Laser Altimeter BELA (siehe Bild) ist eines der wichtigsten Experimente im Rahmen der Mission und wird die Form, die Topographie und die Morphologie der Oberfläche von Merkur bestimmen. Das zweite Instrument STROFIO ist ein Massenspektrometer, das die sehr dünne Atmosphäre von Merkur – man spricht von einer Exosphäre – erfassen und die chemische Zusammensetzung analysieren wird.

2019: CHEOPS / EXOPLANETEN / WELTRAUMTELESKOP / ESA

Auf der Suche nach erdähnlichen Planeten

Das 200 Kilogramm leichte Weltraumteleskop CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite) soll ab Herbst 2019 Planeten in fremden Sonnensystemen erforschen. Dabei ist die Schweiz zum ersten Mal, zusammen mit der ESA, für eine ganze Mission verantwortlich – unter der Leitung der Universität Bern. CHEOPS soll aus einer erdnahen Umlaufbahn über 700 helle Sterne und deren Planeten beobachten. Wandert ein Planet vor seinem Stern vorbei, nimmt die Helligkeit des Sterns im Verhältnis zur Grösse des Planeten ab. CHEOPS nimmt solche feinsten Variationen der Lichtintensität wahr und kann so den Durchmesser der Exoplaneten bestimmen. Wurde zuvor bereits die Masse des Himmelskörpers mit bodenstationierten Instrumenten bestimmt, kann mit den Daten von CHEOPS nun die Dichte des Planeten berechnet werden. Dies gibt Aufschluss darüber, ob es sich um einen Gasriesen wie Jupiter handelt oder um einen Gesteinsplaneten ähnlich der Erde. CHEOPS wird uns vielleicht dem Fernziel näherbringen, eines Tages einen Planeten zu entdecken, der erdähnliche Eigenschaften hat und auf dem Leben denkbar ist.

2022: JUICE / EISMONDE DES JUPITERS / MASSENSPEKTROMETER PEP UND LASER ALTIMETER GALA / ESA

Rätsel um Eismonde und unterirdische Ozeane lösen

Die Mission JUpiter ICy Moons Explorer (JUICE) ist die erste Grossmission im Rahmen des ESA-Programms «Cosmic Vision 2015 – 2025». JUICE wird Beobachtungen des riesigen Gasplaneten Jupiter und drei seiner grössten Monde – Ganymed, Kallisto und Europa – durchführen. An Bord wird das Instrumenten-Paket «Particle Environment Package» PEP sein, das an der Universität Bern entworfen und aus internationalen Instrumenten zusammengebaut wird. Teil von PEP ist das Berner Neutral- und Ionenmassenspektrometer NIM, welches Messungen in den Mond-Atmosphären vornehmen wird. Daten früherer Weltraummissionen und Modellrechnungen deuten darauf hin, dass sich tief unter der äusseren Eisschicht dieser Monde unterirdische, globale Ozeane befinden. Durch Spalten und Ritzen könnte Material aus dem Inneren an die Oberfläche und in die Atmosphären gelangen. Dies könnte von den Instrumenten an Bord von JUICE gemessen werden.

Von Apollo bis JUICE: Eine Auswahl von Missionen mit Berner Beteiligung

BERN IM ALL – WIR FEIERN 50 JAHRE MONDLANDUNG, 28. JUNI BIS 4. JULI 2019

Ende Juni feiert die Universität Bern mit der Bevölkerung ein grosses Wissenschaftsfest.
•    Eine spektakuläre Reise auf dem Bundesplatz entführt die Besucherinnen und Besucher in die faszinierenden Tiefen des Weltalls und zeigt ihnen die wichtigsten Meilensteine der Berner Weltraumforschung.
•    Führende Vertreterinnen und Vertreter der grossen Weltraumorganisationen diskutieren über die Zukunft der Weltraumforschung.
•    Der Raketenbauwettbewerb macht auch die Ältesten wieder zum Kind.
•    Und an der Nacht der Sterne werfen wir gemeinsam einen Blick in die unendlichen Weiten des Weltraums.

Eröffnung: Freitag, 28. Juni 2019, 17.30 Uhr, Bundesplatz Bern

Mehr Informationen zu den Jubiläumsfeierlichkeiten: www.Bern-im-All.ch

DAS AKTUELLE UNIPRESS: «BERN IM ALL»

Diesen und weitere spannende Beiträge zum Thema «Bern im All» finden Sie in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins UniPress.

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Zur Autorin

Brigit Bucher arbeitet als Leiterin Media Relations und ist Themenverantwortliche «Space» in der Abteilung Kommunikation & Marketing an der Universität Bern.