Benutzer:Grabert/Hibernation

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Hibernation bezeichnet in der Raumfahrt das Abschalten oder Drosseln fast aller Energie erfordernden Funktionen von Satelliten, Raumstationen und besonders Raumsonden, – oft auch solcher, die für den eigentlichen Betrieb wichtig sind. Neben fliegenden Sonden sind meist auch Lander und Rover mit einem Hibernation-Modus ausgestattet.

Der Begriff stammt ursprünglich aus der Biologie und steht für Winterschlaf. Er fand in der Raumfahrt erst durch die gewagte Mission von Giotto Ende der 1980er-Jahren Verwendung, vorher sprach man von „(Teil-) Abschaltung“ oder „Energiesparmodus“.

Da die Missionsprofile und Anforderungen für Raumfahrzeuge sehr breit gefächert sind, gibt es kein einheitliches Verfahren, jedoch grenzen sich alle Verfahren von Energiespar-Funktionen, beispielsweise dem Ruhezustand von Notebooks, ab. Dies ergibt sich alleine schon aus der Distanz zwischen Bediener und Fahrzeug, aber auch aus den besonderen Umweltbedingungen.

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Giottio, Pionier der Hibernation

Gründe für Abschaltungen

Die Gründe für einen Hibernation-Modus sind unterschiedlich wie die Reiseziele und Aufgaben der Raumfahrzeuge. Neben dem Schutz nicht benötigter Instrumente, spielt die Einsparung knapper Ressourcen aber die immer die Hauptrolle. {*** Grundsätzlich ... Text verschoben, neuer folgt ***}

Lander oder Rover haben während der Reise zu ihrem Zielobjekt keine Funktion[1] und werden auch bei längeren ungünstigen äußeren Einflüssen (z. B. bei Nacht) komplett abgeschaltet.

planmäßige Hibernation

Bei den meisten Missionsprofilen, etwa bei den Sonden ins äußere Sonnensystem oder Landemissionen auf dem Mars, sind seit den 1990er-Jahren Abschaltphasen bereits eingeplant, um die Funktion des Raumfahrzeugs langfristig zu sichern.

Near Sun Hibernation

c&p: Am 27. März 2007 wurde die Sonde für drei Monate in den sogenannten „Near-Sun Hibernation Mode“ (NSHM) geschaltet. Diese „Schlafphase“, in der einige Subsysteme in einen Ruhezustand geschaltet werden, dient zur Optimierung der Lebensdauer der Systeme. Am 8 Juli 2008 ist die Raumsonde Rosetta von der Flugkontrolle aus einem Winterschlaf ähnlichen Zustand wieder in Aktion versetzt worden (die wissenschaftliche Phase der Mission hat erst begonnen).[2]

Deep Space Hibernation

c&p:Die Ingenieure von EADS Astrium, dem industriellen Hauptauftragnehmer für den Bau von Rosetta, haben diesen besonderen Winterschlaf-Modus konzipiert, damit die Sonde ihre Reise trotz des großen Abstands von der Sonne übersteht.

8 Juni 2011: Heute wurde der letzte Befehl in den Tiefraum gesendet, um Rosetta in den Winterschlaf zu versetzen. Mit fast gänzlich abgeschalteten Systemen wird die Sonde jetzt 31 Monate lang durchs All fliegen, bis sie 2014, kurz vor Ankunft bei ihrem Zielkometen, wieder aktiviert wird, ... während dessen sämtliche Instrumente und nahezu alle Kontrollsysteme stumm bleiben.

Dieser Tiefschlaf ist aufgrund der riesigen Entfernung der Sonde von der Sonne notwendig, da das ankommende Licht so schwach ist, dass die Solarpaneele nicht genug Strom zur Versorgung der gesamten Sonde erzeugen können. Daher wird Rosetta ab heute bis Januar 2014 ohne weitere Betreuung hunderte Millionen Kilometer durch kalte, weit entfernte Regionen des Weltraums fliegen, bis sie auf 67P/Tschurjumow-Gerasimenko trifft.[3] (die Arme :. )

„Winterschlaf“ bei Lander und Rover

Datei:MarsSunset losslesscropgam1p2.jpg
vergrößern und Informationen zum Bild anzeigen
Sonnenuntergang am Mars, aufgenommen von Spirit am 19. Mai 2005


Erdnaher SSO

Einen Sonderfall der Hibernation bedingte die sehr niedere sonnensynchrone Umlaufbahn (SSO) des geowissenschaftlichen Satelliten GOCE. Zur Messung der örtlichen Gravitation und der Meeresströmungen fliegt er nur rund 250 km über der Erde. Die hier vorhandene dünne Atmosphäre bedingte eine aerodynamische Formgebung und erlaubte keine Sonnensegel, die Solarkollektoren befinden sich direkt am zylinderschen Rumpf. Bedingt durch die Ekliptik und die erdnähe liegt die Bahn mehrere Monate („Winter“) großteils im Erdschatten. Dann wird der Satellit angehoben und in Hibernation versetzt.[4]

Servicemodus

Das Hubble-Weltraumteleskop wurde so konstruiert, dass es von der Besatzung eines Spaceshuttles im Weltraum repariert und kaputte oder veraltete Teile ausgetauscht werden können. Dazu wurde es in eine “safe hold”–hibernation versetzt um die empfindichen Instrumente zu schützen.[5][6]

Hibernation bei Missionsende

Nach Missionsende können Sonden und Satelliten, die weiterhin funktionsfähig sind, so weit heruntergefahren werden, dass sie für eventuelle spätere Aufgaben verfügbar bleiben, ihre Ressourcen aber gespart werden. So wurde auch die Raumstation Skylab im Februar 1974 von ihrer letzten Besatzung Skylab 4 in eine höhere Umlaufbahn gebracht und anschließend weitgehend heruntergefahren. Damit sollte gwährleistet werden, dass ein eventueller Besuch mit dem Space Shuttle möglich wäre.

Ein Pionier der Hibernation war die Raumsonde Giotto der ESA. Nach erfolgreichem Abschluß ihrer Mission im März 1986 zum Halleyschen Kometen hatte sie deutlich mehr Treistoffreserven als erwartet und essentielle Messinstrumente waren noch funktionsfähig. Da die Flugbahn, eine nicht explizit geplante, Besonderheit aufwies, die sie nach 5 Jahren und 6 eigenen Sonnenumläufen wieder an der Erde vorbei zu einigen noch unerforschten Kometen führen würde, zog die Mission-Control eine Verlängerung in Betracht. Dazu musste die Sonde für 4 Jahre deaktiviert werden um die Ressourcen zu schonen. Aber da sie nach jahrelangem Abschalten der Lagekontrolle ihre hochempfindliche Antenne nicht wieder auf die Erde richten könnte um die schwachbrüstige ESA-Sendeanlage zu empfangen, wurde die NASA gebeten ihr Deep Space Network zu Verfügung zu stellen. Obwohl die NASA diesen Plan für „verrückt“ hielte, sagte sie ihre Unterstützung zu. Giotto wurde nach einigen Schwierigkeiten tatsächlich wieder aktiviert und absolvierte eine präziesen Vorbeiflug an Grigg-Skjellerup in nur 200 km Abstand. Damit war diese Hibernation richtungsweisend für viel folgende Missionen.[7]

Notsituationen

Raumfahrzeuge können auch in Notsituationen in einen Hibernation-Modus schalten, um ihre Überlebensspanne zu erhöhen und Maßnahmen zu ihrer Wiederherstellung zu erleichtern, etwa wenn durch Kursabweichungen der Kontakt zum Raumfahrzeug unterbrochen wird. Dies geschah beispielsweise bei der Giotto-Mission in der Phase des Durchquerens des Kometenschweifs, als die Sonde durch ein größeres Bruchstück des Schweifs getroffen wurde. Der Kontakt ging zunächst verloren, die Sonde schaltete daraufhin eigenständig in einen sicheren Modus, der eine Wiederaufnahme der normalen Funktionen sicherstellte.

Zu einer ungeplanten Selbstabschaltung von Galileo kam es zu Missionsende. Nach dreimaliger Verlängerung ihrer Mission zu Jupiter und seinen Monden, wurde sie nach längerer Hibernation für ihren letzten Vorbeiflug an Io reaktiviert. Eine Störung des bordeigenen Computers, vermutlich aufgrund der hohen Strahlenbelastung durch den ungeplant langen Aufenthalt im Jupitersystem, schaltete die Systeme wieder ab und die erhofften Messungen gingen großteils verloren.[8]

Abschaltung unter Weltraumbedingungen

Ein wichtiger Aspekt aller Abschaltungen von Geräten in Raumfahrzeugen sind die physikalischen Bedingungen im Weltraum, in erster Linie die thermischen Bedingungen im Vakuum. Bei Lander- und Rover-Systemen kommen auch die Bedingungen des Landeziels hinzu, beispielsweise dem Mars. So zwingt der Marswinter mit verminderter Sonneneinstrahlung und damit ungenügender Leistung der Solar-Panel für das Laden der Batterien zur Unterbrechung der meisten Aktivitäten, die Mars-Rover wurden daher vor Beginn des Winters an einen günstigen und geschützen Platz gefahren und anschließend heruntergefahren.

Bei Langzeitmissionen, die von der Sonne weg führen, also in den äußeren Teil des Sonnensystems, sind die thermischen Verhältnisse umgekehrt zu denen, die in Richtung Sonne führen (beispielsweise Venus- und Merkur-Sonden). Im ersteren Fall kühlen die Sonden zunehmend aus, in letzterem heizen sich auf. Bei der Rosetta-Mission mit ihrer sehr komplexen Flugbahn, die mehrfach in Sonnennähe und dann wieder weg von der Sonne führt, wurden daher zwei Hiberantion-Verfahren implementiert, die diese Verhältnisse berücksichtigen. In in Sonnennähe wird der Near Sun Hibernation Mode (NSHM) genutzt, im sonnenfernen Teil des Fluges der Deep Space Hibernation Mode (DSHM).

Um die Zerstörung von Bauteilen durch Abkühung in abgeschaltetem Zustand zu verhindern, werden stellenweise Radionuklid-Heizelemente eingesetzt, kritisch sind hier in erster Linie Batterien und empfindliche Halbleiter-Bauteile; aber auch flüssige Betriebsmittel, die einfrieren können.

Die Abschaltroutine von Rosetta vor ihrer ihrer 31-monatigen Ruhephase beanspruchte 3 Wochen.[9]

c&p: Ende März 2008 wurden sämtliche wissenschaftlichen Instrumente abgeschaltet. Im April und Mai wurden die Rosettas Solarpaneele in einer 600 Mio. km von der Sonne entfernten Umlaufbahn getestet, um sicherzustellen, dass für die Versetzung in den Winterschlaf auch genügend Energie zur Verfügung steht. Am 8. Juni um 08:00 Uhr GMT wurde Rosetta in Rotation versetzt, um die Sonde auch bei abgeschaltetem Lagekontrollsystem zu stabilisieren, und um 12:58 GMT (14:58 MESZ) wurde der Befehl zum endgültigen Abschalten gesendet. „Wir haben den Befehl über die 70-Meter-Parabolantenne der Canberra Deep Space Network Station in Australien abgesetzt, damit das Signal auch stark genug ist, um Rosetta zu erreichen – schließlich befindet sich die Sonde bereits 549 Mio. km von der Erde entfernt“, so ESA-Flugleiter Andrea Accomazzo. „Wir werden die Sonde über die 35-Meter-Antenne der ESA im australischen New Norcia einige Tage beobachten und schauen, ob Probleme auftreten, aber bis 2014 erwarten wir keinerlei Funkkontakt. Rosetta ist ab sofort auf sich allein gestellt“.[3]


bei Hibernation abgeschaltete Systeme

Messinstrumente, Funk?, Navigation?, ??? {*** Funk meist teilweise, Navigation meist aus, wissenschaftliche Instrumente aus, ich sammle gerade ***}

c&p: ... während dessen sämtliche Instrumente und nahezu alle Kontrollsysteme stumm bleiben. Nur der Computer und einige Heizsysteme bleiben in Betrieb. Diese werden automatisch gesteuert und verhindern, dass der gesamte Satellit bis 2014 auf seiner zwischen 660 und 790 Mio. km von der Sonne entfernten Umlaufbahn einfriert.[3]


bei Hibernation aktive Systeme

irgend etwas - was das Ding wieder aufweckt, Radionuklid-Heizelement?, iPod[10] {*** iPod ? ***}

Beenden der Hibernation

Eine nicht einfache Aufgabe ist es, den Hibernation-Modus zu beenden. Im Gegensatz zu Geräten auf der Erde, die durch einfachen Bedienereingriff wieder aktiviert werden können, gestaltet sich dies im Weltall schwerer. In aller Regel wird auch die Funkverbindung als Verbraucher abgeschaltet, so dass über die gewöhnlichen Funksignale kein Befehl übermittelt werden kann. Auch hat in der Phase der Hibernation meist keine aktive Lagekontrolle stattgefunden, so dass auch die Position des Raumfahrzeugs nicht immer auf Anhieb bestimmt werden kann.

Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Möglichkeiten, einen Hibernation-Modus zu beenden.Einerseits gibt es die Methode des "Weckrufs" von der Erde aus, es wird dabei ein vorbestimmtes und meist einfach gehaltenes Funksignal (vergleichbar einem einfachen Tonruf) gesendet, das von einem in Betrieb gebliebenen Empfänger im Raumflugkörper empfangen wird. Durch diesen Empfänger wird dann die Wiederinbetriebnahme eingeleitet. Dabei muss das Rufsignal oft räumlich breit und über ein größeres Frequenzspektrum gestreut werden, um Abweichungen in der Flugbahn und den Dopplereffekt auffangen zu können.

Ein zweiter Ansatz ist ein internes Wecksignal durch einen Zeitgeber in der Sonde (etwa bei der Kometensonde Rosetta[3]), der nach dem Verstreichen einer vorausberechneten Zeitspanne das Wiedereinschalten einleitet. Aber auch andere Kriterien, wie Ladestand von Batterien oder Intensität und Dauer der Sonneneinstrahlung (wie bei den Marsrovern Spirit und Opportunity).

Abgrenzung zu anderen Bedeutungen

Bemannte Langzeitflüge im Tiefschlaf

Vereinzelt tritt der Begriff Hibernation in der Raumfahrt auch als zukünftiges alternatives Verfahren zum Umgang mit bemannten Langzeitprojekten auf. Wissenschaftler der Universität Verona untersuchen im Auftrag der ESA die Möglichkeiten, Menschen durch eine chemische Substanz in eine Art künstliche Winterstarre zu versetzen. Diese Grundlagenforschung dient der Vorbereitung bemannter ESA-Missionen zum Roten Planeten ab 2030.[11]

Science-Fiction

Gleiches gilt auch für die Science-Fiction, ein bekanntes Beispiel ist der Film 2001: Odyssee im Weltraum.

Raumflugprojekte mit hibernations Mode

{*** einige LINKS SIND UNGEPRÜFT ***}
/* Ich sammle gerade Daten für eine Tabelle */:

Satelliten und Orbiter

Datei:Wide-field Infrared Survey Explorer (Artist's concept, cropped).jpg
WISE wartet auf neue Aufgaben
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24. Apr. 1991 i. B.  Hubble Während der Servicearbeiten durch die Spaceshuttle-Mannschaft in “safe hold”–hibernation[5][6]
16. Juli 2000 i. B.  Cluster Formation aus 4 Satelliten schaltet bei längeren Dunkelphasen (Herbst) auf Selbsterhaltungsmodus[12]
17. März 2009 i. B.  GOCE Der geowissenschaftliche Satellit hat während der Messphase eine Bahnhöhe von nur 250 km und hebt diese für einen Winterschlaf auf 270 km an.[13][4]
14. Dez. 2009 i. H.  WISE wurde 2011 in Hibernation versetzt, für eine mögliche spätere Verwendung[14]
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Raumstationen

Datei:Skylab and Earth Limb - GPN-2000-001055.jpg
Skylab wurde nicht wieder besucht
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/* so aus dem Gefühl heraus haben alle Raumstationen mal gedöst, aber was ist relevant und kann belegt werden? Zu beachten: wissenschaftliche Projekte könne auch unbemannt ferngesteuert oder automatisch weiter betrieben werden, ist das eine Hib? */
14. Mai 1973 11. Juli 1997 Skylab wurde nach Skylab 4 für spätere Verwendung vorbereitet und heruntergefahren; jedoch nie wieder betreten
19. Feb. 1986 23. März 2001 Mir wurde (zumindest) zwischen Sojus TM-7 und Sojus TM-8 für fünf Monate in Hibernationsmode versetzt, da die Station unbemannt blieb en:Mir
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Sonden

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Stardust war 3 Jahre in Hibernation
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22. Okt. 1977 05. Mai 1997 ICE Wurde 1997 abgeschaltet, kehrt aber 2014 als „tote“ Sonde ins Erdschwerefeld zurück[15]
02. Juli 1985 23. Juli 1992 Giotto Pionier der (Langzeit-) Hibernation[7]
10. Okt. 1989 21. Sep. 2003 Galileo nach Reaktivierung aus längerer Hibernation kam es zur ungeplanten Selbstabschaltung aufgrund einer Störung[8]
06. Okt. 1990 29. Juni 2009 Ulysses 2008 wurde erwogen den 17 Jahre alten Sonnenorbiter in Hibernation zu bringen, um ihn für die für die nächste Spitze der Sonnenaktivität 2013 einsetzen zu können — schmecks[16]
24. Okt. 1998 18. Dez. 2001 Deep Space 1 nach erfolgreicher Mission abgeschaltet, der Funkempfänger blieb aber für den Fall einer späteren Kontaktaufnahme aktiv[17]
07. Feb. 1999 24. März 2011 Stardust im Jänner 2006 in Hibernation, August 2007 Reaktivierung für Stardust-NExT[18]
02. Juni 2003 i. B.  Mars Express wurde für die sechsmonatige Reise in H. versetzt, nahm aber einmal täglich Funkkontakt mit der Erde auf. („telefonieren nach Hause“)[19]
02. März 2004 i. B.  Rosetta von 2011 bis 2014 in DSH[20][9]
27. Sep. 2007 i. B.  Dawn Messinstrumente 3 1/2 Jahre, Sonde 6 Monate in Hibernation[21]
19. Jan. 2006 i. B.  New Horizons am Weg von Jupiter zu Pluto in Hibernation, wird einmal jährlich für 50 Tage aktiviert, sendet wöchentlich minimalen Statusbericht[22]
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Lander und Rover

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Spirit am Mars
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20. Aug. 1975 17. Aug. 1980 Viking
04. Dez. 1996 27. Sep. 1997 Mars Pathfinder wurde nach seiner ersten Mission in eine zweitägige Hibernation versetzt um die Batterien aufzuladen und anschliessend nachts abgeschaltet um diese zu schonen[23]
10. Juni 2003 24. Mai 2011 Spirit xxx[24][25]
07. Juli 2003 i. B.  Opportunity
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Einzelnachweise

  1. ↑ Ethan Minogue: Avionics for Hibernation and Recovery on Planetary Surfaces. NASA, abgerufen am 14. Juni 2012 (englisch).
  2. ↑ Topfit zum Asteroiden: Rosetta erwacht aus dem Winterschlaf. ESA, abgerufen am 23. Juni 2012.
  3. ↑ a b c d Kometenjäger Rosetta wird in Winterschlaf versetzt. Weckruf am 20. Januar 2014. ESA, 8. Juni 2011, abgerufen am 23. Juni 2012.
  4. ↑ a b Die Satellitenbahn von GOCE. GOCE Projektbüro, abgerufen am 25. Juni 2012.
  5. ↑ a b Hubble, Servicing Missions Overview. NASA, Mai 2009, abgerufen am 29. Juni 2012 (englisch).
  6. ↑ a b Hubble, Previous Servicing Missions. In: Mission Archives. NASA, abgerufen am 29. Juni 2012 (englisch).
  7. ↑ a b Giottos Mission. Ist Giotto noch zu einer weiteren Mission fähig ? Bernd Leitenberger, abgerufen am 23. Juni 2012 (©): „.. niemand hatte eine Raumsonde bisher 4 Jahre lang deaktiviert ..“
  8. ↑ a b Ground controllers coax Galileo out of hibernation. SPACEFLIGHT NOW, 18. Januar 2002, abgerufen am 29. Juni 2012 (englisch).
  9. ↑ a b No. 157 - Final preparations for hibernation. Report for the period 16 May to 5 June 2011. ESA, 22. Juni 2011, abgerufen am 25. Juni 2012 (englisch): „This report covers 21 days of Rosetta mission operations. The main activities were devoted to preparing the spacecraft for the deep-space hibernation phase.“
  10. ↑ Alan Price & Georgie Fame: Wozu den iPod? Zeitvertreib auf Langstreckenflügen. Rosetta, 1971, abgerufen am 15. Juni 2012 (englisch).
  11. ↑ Im Tiefschlaf zum Roten Planeten? ESA, 20. September 2004, abgerufen am 23. Juni 2012: „Versuche laufen bereits“
  12. ↑ Cluster muscles back from deep hibernation. ESA, 6. Oktober 2006, abgerufen am 15. Juni 2012 (englisch).
  13. ↑ GOCE mission overview. GOCE mission overview. ESA, 26. Mai 2010, abgerufen am 25. Juni 2012 (englisch): „Measurement altitude: about 250 km, Hibernation altitude: above 270 km“
  14. ↑ The WISE Spacecraft transmitter was turned off for the final. NASA, 17. Februar 2011, abgerufen am 29. Juni 2012 (englisch): „The Spacecraft will remain in hibernation without ground contacts awaiting possible future use.“
  15. ↑ International Comet Explorer (ICE). Die Mission. Bernd Leitenberger, abgerufen am 29. Juni 2012.
  16. ↑ Stephen Clark: Controllers working to keep Ulysses sun orbiter alive. SPACEFLIGHT NOW, 15. April 2008, abgerufen am 25. Juni 2012 (englisch): „a "long shot" plan to put the observatory in hibernation“
  17. ↑ Deep Space 1 Mission Profile. NASA, abgerufen am 29. Juni 2012: „The ion engines were commanded off … to end the mission. The radio reciever was left on in case future contact with the spacecraft is desired.“
  18. ↑ Dwayne Brown/Merrilee Fellows: Stardust Mission Status Report. JPL.NASA, 30. Januar 2006, abgerufen am 15. Juni 2012 (englisch): „NASA's Stardust spacecraft was placed into hibernation mode yesterday“
  19. ↑ Mars Express auf dem Weg zum Roten Planeten. ESA, 2. Juni 2003, abgerufen am 25. Juni 2012.
  20. ↑ Rosetta comet probe enters hibernation in deep space. ESA, 8. Juni 2011, abgerufen am 14. Juni 2012 (englisch, sehr ergibig).
  21. ↑ Dawn Opens its Eyes, Checks its Instruments. NASA, 21. März 2011, abgerufen am 29. Juni 2012 (englisch).
  22. ↑ New horizons. (PDF) First mission to Pluto and the Kupier Belt. In: Launch Press Kit. 19. Januar 2006, S. 31, abgerufen am 29. Juni 2012 (englisch).
  23. ↑ JPL: MARS PATHFINDER RESULTS GENERATING NEW PICTURE OF MARS AS MISSION MOVES INTO EXTENDED OPERATIONS. NASA, 8. August 2007, abgerufen am 25. Juni 2012 (englisch).
  24. ↑ Guy Webster: Spirit May Have Begun Months-Long Hibernation. JPL.NASA, 31. März 2010, abgerufen am 15. Juni 2012 (englisch).
  25. ↑ J.D. Harrington , Guy Webster: NASA's Hibernating Mars Rover May Not Call Home. NASA, 30. Juli 2010, abgerufen am 15. Juni 2012 (englisch).

Weblinks

Kategorie:Energieeinsparung Kategorie:Raumfahrttechnik

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