Die Europäische Weltraumorganisation Esa bereitet sich auf eine spannende Mission vor. In der Nacht zum 20. Oktober startet – wenn alles nach Plan verläuft – die Raumsonde BepiColombo mit einer Ariane 5 vom Weltraumzentrum Kourou in Französisch-Guayana zum Merkur. Bei Temperaturen um 360 Grad Celsius soll sie den sonnennächsten Planeten so eingehend erkunden wie nie zuvor. Benannt wurde sie nach dem italienischen Mathematiker und Raumfahrtingenieur Giuseppe „Bepi“ Colombo (1920–1984), der eine frühere Merkur-Mission mitgeplant hatte.

Genau genommen sind es sogar zwei Sonden, von denen die japanische Weltraumorganisation Jaxa eine beisteuert. Forscher des Instituts für Planetenforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Adlershof haben an der europäischen Sonde einen großen Anteil.

Der sonnennächste Planet Merkur glüht im Sonnenlicht. Bis zu zehnmal intensiver ist dort die Strahlung unseres Tagesgestirns als auf der Erde, die Temperatur steigt tagsüber an der Oberfläche bis auf 470 Grad Celsius. Wegen seiner Nähe zur Sonne ist er schwerer zu beobachten als alle anderen Planeten. Fast alle Informationen haben deshalb Raumsonden geliefert – und das bislang nur zwei Mal: In den 1970er-Jahren flog die Nasa-Sonde Mariner 10 dreimal am Merkur vorbei. 2011 gelang es der amerikanischen Sonde Messenger, in eine Umlaufbahn einzuschwenken. Sie umkreiste den Planeten vier Jahre lang und lieferte viele neue Erkenntnisse.

Riesiger Metallkern

„Aufgrund der eingeschränkten Instrumentierung und der stark elliptischen Umlaufbahn konnte Messenger aber nur einen ersten Eindruck vom Merkur vermitteln und hat viele Fragen nicht beantworten können“, erklärt Jörn Helbert vom DLR-Adlershof, dessen Team zusammen mit Harald Hiesinger von der Universität Münster eines von elf Instrumenten auf BepiColombo entwickelt und gebaut hat. Die Missionsdauer nach Erreichen der Merkurumlaufbahn ist auf ein Jahr veranschlagt, mit der Möglichkeit einer Verlängerung.

Merkur ist voller Rätsel. Auf den ersten Blick sieht er aus wie der Mond: Seine Oberfläche ist mit unzähligen Kratern übersät. Aber anders als auf unserem Erdtrabanten gibt es nur ein großes Becken, Caloris. Diese etwa 1 500 Kilometer große Narbe ist die Folge des Einschlags eines Asteroiden, der hundert Kilometer groß gewesen sein muss. Doch warum gibt es keine weiteren Becken? „Wahrscheinlich wurden die einstigen Mare durch Vulkanismus zerstört “, vermutet Hiesinger. Dass der Planet noch heute vulkanisch aktiv ist, scheint unwahrscheinlich, ist aber nicht ausgeschlossen.

Viele, mehrere Hundert Kilometer lange und bis zu drei Kilometer hohe Steilstufen durchschneiden die Oberfläche. Ihre Gesamtlänge beträgt 42 000 Kilometer. Vermutlich türmten sie sich auf, als sich der Planet nach seiner Entstehung abkühlte und dabei um sieben Kilometer zusammenzog, wie Computermodelle nahelegen. Kein anderer Planet ist so stark geschrumpft.

Dies muss mit seinem inneren Aufbau zusammenhängen, der einzigartig und rätselhaft ist. Anhand der Messenger-Daten ermittelten Forscher, dass Merkur einen Kern aus Eisen und Nickel besitzt, der 83 Prozent des gesamten Durchmessers einnimmt. Zum Vergleich: Bei der Erde sind es nur 54 Prozent. Wie kam der kleine Planet zu einem dermaßen überproportionierten Metallkern?

Kein Modell erklärt die Entstehung des Merkur

„Es wird diskutiert, dass in der Entstehungsphase die Sonne wesentlich heißer und aktiver war als heute und einen Teil der äußeren Gesteinskruste weggefegt hat“, erklärt Hiesinger. Vielleicht wurde auch ein Teil der Kruste bei dem Einschlag eines großen Körpers weggesprengt. Oder, so eine dritte Theorie, schwere Elemente wie Eisen und Nickel kondensierten im Urnebel nah an der Sonne leichter aus als die flüchtigeren, gesteinsbildenden Elemente. „Derzeit erklärt aber kein Modell die Entstehung des Merkur befriedigend“, so Jörn Helbert.

Alle Modelle sagen unterschiedliche chemische und mineralogische Zusammensetzungen für das Oberflächenmaterial voraus. Diese zu ermitteln, ist die Aufgabe von Hiesingers und Helberts Infrarotspektrometer Mertis. „Wir werden die erste mineralogische Karte und auch die erste Temperaturkarte der Oberfläche anfertigen“, so Helbert.

Wassereis auf einem glühend heißen Planeten

Zu den weiteren ungelösten Rätseln des sonnennächsten Planeten zählt sein Magnetfeld. Das ähnelt dem der Erde, besitzt aber nicht einmal ein Hundertstel von dessen Stärke. Wie es entsteht, ist noch weitgehend unverstanden. Eigentlich sollte der kleine Planet trotz der Sonnennähe bereits vollständig ausgekühlt sein. Warum ist zumindest ein Teil des Kerns offenbar doch noch flüssig?

Diese Frage will das Team um Hauke Hußmann vom DLR-Adlershof angehen, das ein sogenanntes Laseraltimeter namens Bela beisteuert. In schneller Folge sendet Bela Laserblitze aus, die von der Oberfläche reflektiert und von Bela wieder empfangen werden. Damit wollen die Forscher eine globale 3D-Karte der Oberfläche erstellen. „Kombiniert man dies mit anderen Datensätzen, beispielsweise des Schwerefeldes, erhalten wir indirekten Einblick in das tiefe Innere des Planeten“, so Hußmann.

Gänzlich unverstanden ist auch eine Entdeckung, wonach es in der Nordpolregion Wassereis zu geben scheint. Wie kann das sein, auf diesem glühend heißen Planeten? Offenbar lagert das Eis in den Schattengebieten von Kraterrändern. Kein Sonnenstrahl dringt bis dorthin vor, sodass Temperaturen um minus 180 Grad herrschen. Diese Frage will Hußmann auch endgültig mit Bela beantworten. „Erstmalig werden wir damit auch die Südpolregion untersuchen“, ergänzt Hußmann.

Isolierung aus 50 Schichten

Eigentlich hätte BepiColombo schon vor gut vier Jahren aufbrechen sollen, doch dann tat sich ein technisches Problem nach dem anderen auf. Die beiden Merkur-Orbiter werden in der intensiven Strahlung von Sonne und Merkur gegrillt. Die Folge: Auf ihren Außenseiten erhitzen sie sich bis auf 360 Grad, während die Instrumente bis maximal 40 Grad arbeiten.

Um dies zu gewährleisten, haben Ingenieure von Airbus, unter dessen Leitung das europäische Raumschiff gebaut wurde, eine aus 50 Keramik- und Titanschichten bestehende Isolierung entwickelt. Eine Seite der Sonde wird stets auf den Planeten ausgerichtet sein, während auf der gegenüber liegenden Seite Kühlkörper Wärmeenergie in den Weltraum abstrahlen. Auch die Entwicklung der Solarzellen erwies sich als sehr aufwendig. Die von Airbus in Ottobrunn gelieferten Paneele sind für einen Betrieb bis zu 215 Grad ausgelegt. Der Sonnenkollektor muss aber ständig gedreht und seine Neigung angepasst werden, um ihn vor dem Überhitzen zu schützen.

Doch nicht nur die Arbeit am Merkur ist ein Abenteuer, auch der Weg dorthin (siehe Kasten). Kein anderer Flug zu einem Körper im Sonnensystem benötigt so viel Energie wie der zum Merkur. Ursache hierfür ist das starke Schwerefeld der Sonne, in dem die Sonde stark abgebremst werden muss.