Voyager 1: Zu wenig Strom Ursache für Funkausfall

Anfang November 2024 hatte ich über Technikprobleme bei der alternden Raumsonde Voyager 1, die am Rande des Sonnensystems fliegt, berichtet. Die Sonde hatte plötzlich die Funkfrequenz gewechselt. Jetzt ist klar, dass Strommangel die Ursache für diesen Wechsel der Funktechnik ist.

Worum geht es genau?

Ein am 16. Oktober 2024 vom Flugteam der Sonde übermittelter Funkbefehl sollte eine der Heizungen der Raumsonde einschalten. Die Voyager 1-Sonde hätte über ausreichend Energie für den Betrieb der Heizung verfügen sollen. Aber der Befehl löste das eingebaute Fehlerschutzsystem der Sonde aus. Das führte dazu, dass der X-Band-Sender für die Kommunikation mit der Erde abgeschaltet wurde. Das Team erfuhr von dem Problem aber erst am 18. Oktober 2024, als das Deep Space Network das Fehlen des Funksignal svon Voyager 1 bemerkte.

Hintergrund ist, dass die Funksignale von der Erde zur Sonde, wegen der Entfernung von 24 Milliarden Kilometer, fast 23 Stunden benötigt. Die Antwort der Sonde können dann ebenfalls erst mit weiteren 23 Stunden Verzögerungen von den Antennen des Deep Space Network empfangen werden. Es wurde dann festgestellt, dass die Sonde auf einer anderen Frequenz sendete. Ich hatte diesen Sachverhalt detaillierter im Blog-Beitrag Voyager 1: Wieder Probleme; Sonde hat Funkfrequenz gewechselt beschrieben.

Strommangel für Funkstörung verantwortlich

Die Techniker des Teams, das für den Betrieb der Raumsonde verantwortlich ist, versuchten eine Erklärung für den Wechsel der Funkfrequenz zu finden (obwohl die Ursache, Energiemangel, eigentlich klar war). Der US-Astronaut Dr. Buzz Aldrin, zweiter Mensch auf dem Mond, hat die Woche ein Status-Update gegeben – ich hatte die Information aber bereits einige Tage vorher erhalten.

In dieser Mitteilung gab die NASA bekannt, dass Sonde Voyager 1 ihren regulären Betrieb wieder aufgenommen habe, nachdem die Kommunikation im Oktober 2024 unterbrochen worden war. Die Sonde hatte im Oktober 2024 unerwartet ihren primären Funksender, den so genannten X-Band-Sender, abgeschaltet und den viel schwächeren S-Band-Sender eingeschaltet (siehe obige Ausführungen).

Aufgrund der Entfernung der Sonde von der Erde – etwa 15,4 Milliarden Meilen (24,9 Milliarden Kilometer) – verhinderte diese Umschaltung, dass das Missionsteam wissenschaftliche Daten und Informationen über den technischen Status der Sonde herunterladen konnte.

Anfang November 2024 gelang es dem Flugkontroll-Team den X-Band-Sender zu reaktivieren. Damit konnte in der Woche vom 18. November 2024 die Datenerfassung mit den vier in Betrieb befindlichen wissenschaftlichen Instrumenten wieder aufgenommen werden.

Jetzt seien die Ingenieure dabei, einige verbleibende Aufgaben zu erledigen, sagt die NASA. Es geht darum, Voyager 1 wieder in den Zustand zu versetzen, in dem sie sich vor dem Auftreten des Problems befand. Dazu gehört z. B. das Zurücksetzen des Systems zur Synchronisierung der drei Bordcomputer.

Nun ist auch klar, was passiert ist: Der X-Band-Sender wurde durch das in der Sonde enthaltene Fehlerschutzsystem abgeschaltet, als der Funkbefehl zum Einschalten der Heizung von der Sonde erkannt wurde. Das Fehlerschutzsystem ist so eingestellt, dass es automatisch Systeme der Sonde bei Energiemangel abschaltet. Nur noch Systeme, die für den Betrieb der Sonde kritisch sind, werden mit Energie zu versorgt.

Bei den Voyager-Sonden wurden nach 47 Jahren aber bereits alle nicht lebensnotwendigen Systeme mit Ausnahme der wissenschaftlichen Instrumente abgeschaltet. Daher schaltete das Fehlerschutzsystem den X-Band-Sender aus und den S-Band-Sender ein, der weniger Strom verbraucht.

Die Plutonium-Batterien liefern nach so langer Zeit nur noch wenig Energie (4 Watt Verlust an Energie pro Jahr). Vor etwa fünf Jahren – rund 41 Jahre nach dem Start der Voyager-Sonden – begann das Team, alle Systeme abzuschalten, die für den Betrieb der Sonden nicht unbedingt erforderlich waren. Dazu gehören auch die Heizungen für einige der wissenschaftlichen Instrumente. Zur Überraschung des Missionsteams funktionierten alle diese Instrumente weiter, obwohl sie Temperaturen erreichten, die niedriger waren als die, für die sie getestet worden waren.

Das Team verfügt zwar über Computermodelle, die vorhersagen sollen, wie viel Strom verschiedene Systeme wie Heizungen und Instrumente voraussichtlich verbrauchen werden. Eine Vielzahl von Faktoren, darunter das Alter der Komponenten und die Tatsache, dass sich die Hardware nicht immer wie erwartet verhält, trägt jedoch zur Unsicherheit dieser Modelle bei.

Da die Leistung bis auf Bruchteile eines W gemessen wird, hat das Team auch die Art und Weise angepasst, wie beide Sonden die Spannung überwachen. Doch Anfang 2024 musste das Team wegen der sinkenden Stromversorgung ein wissenschaftliches Instrument auf Voyager 2 abschalten.

Bei Voyager 1 wurden 1990 mehrere Instrumente abgeschaltet, um Energie zu sparen, aber diese Instrumente wurden nicht mehr benutzt, nachdem die Sonde an Jupiter und Saturn vorbeigeflogen war. Von den 10 wissenschaftlichen Instrumenten auf beiden Raumsonden werden jetzt vier zur Untersuchung von Teilchen, Plasma und Magnetfeldern im interstellaren Raum eingesetzt.

Voyager 1 fliegt zwischen den Sternen

Die US-Raumsonde Voyager 1 fliegt am äußersten Rand des Sonnensystems bereits im "Raum zwischen den Sternen". Als diese Raumsonde gebaut wurde, war ich teilweise noch Lehrling. Am 5. September 1977 wurde Voyager 1 gestartet, und auf eine unglaubliche Reise geschickt. Damals war ich noch ein junger Ingenieurstudent, der der Mission entgegen fieberte.

Es gibt aber noch eine Schwestersonde, Voyager 2. Voyager 1 und 2 fliegen seit mehr als 47 Jahren im All und sind die einzigen beiden Raumfahrzeuge, die im interstellaren Raum unterwegs sind und immer noch funktionieren – der helle Wahnsinn. Ihr fortgeschrittenes Alter führt aber dazu, dass die Häufigkeit und Komplexität technischer Probleme zugenommen hat und neue Herausforderungen für das Missionsteam entstanden sind.

(Voyager-Raumsonde, künstlerische Darstellung NASA/JPL)

Voyager 1 flog an den Planeten Jupiter und Saturn vorbei, um anschließend das Sonnensystem in Richtung interstellarer Raum zu verlassen. Inzwischen ist die Sonde 46 Jahre im Weltraum unterwegs und hat bereits zwischen 2010 bis 2012 (genau weiß man das nicht, da das betreffende Messgerät ausgefallen ist) unser Sonnensystem verlassen. Das Gleiche ist bei Schwestersonde Voyager 2 der Fall. Beide Sonden forschen mit den Instrumenten, die noch funktionieren und senden Daten zur Erde zurück.

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